Многоканальный позиционно-чувствительный детектор позитронно-эмиссионного томографа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

БАШАРУЛИ НУКРИ ВАЛИКОВИЧ

МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ПОЗЩИОННО - ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР ПОЗИТРОННО - ЭМИССИОННОГО ТОМОГРАФА

Специальность- 01 04 01 - Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор

«-"«-»о 1ьао29

Москва 2007 г

003163029

Работа выполнена в московском государственном инженерно-физическом институте (государственном университете)

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, Беляев Владимир Никитич МИФИ, г Москва

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук,

Рыкалин Владимир Иванович ГНЦ ИФВЭ, М О г Протвино

доктор технических наук, Блинов Николай Николаевич ЗАО «АМИКО», г Москва

Ведущая организация-

Институт теоретической и экспериментальной физики, г Москва

Защита состоится « 14 » ноября 2007 г В_час 00 мин на заседании специализированного совета Д212 130 07 в Московском государственном инженерно-физическом Институте (государственном университете) по адресу 115409, г. Москва, Каширское шоссе 31, тел (+7 495) 324-8417, (+7 495) 323-9403

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ

Автореферат разослан « 9 » октября 2007 г

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук "" в В Дмитренко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальное», темы. Создание поз нц и он и о - чу в ств и тел ь б ого детектора (ПЧД) для регистрации у-квэнтов с энергией 511 кэВ является одной из ключевых задач разработки отечественного позитрон-эмиссионного томографа (ПЭТ), предназначенного для диагностики на ранней стадии онкологических, неврологических и кардиологических заболеваний. Разрабатываемый детектор должен иметь высокую эффективность регистрации для того, чтобы в обследовании можно было использовать радиофармпрепараты с меньшей активностью или с более коротким временем полураспада.

ПЭТ - современная технология для измерений биохимической активности организма, представленной локальной концентрацией радиофармпрепарата в ткани пациента. Полученные при этой технологии изображения отражают физиологические процессы, протекающие на молекулярном уровне. Эта информация может быть использована для характеристики многих жизненно важных процессов, включая метаболизм глюкозы, кровообращение, утилизацию кислорода, на основании чего клиницисты способны оценить состояние органов и тканей. Стремительный интерес к Этим методам в нашей стране обусловлен неблагоприятной статистикой заболеваний. В отличие от таких традиционных диагностических технологий, как КТ. ЯМР, УЗИ, которые предоставляют информацию об структурных изменениях, ПЭТ даёт возможность оценить функцию органа или ткани, которая в большинстве случае? нарушается раньше, чем появляются структурные изменения.

р* 1, + р Л V

{Г + [у .-> 2-/

I Г ) V Jri

' 4 ММ Е воде 1. 3 Ы JE>)

<v> \ Y \ j

■■■ (511 К?Б 1 \ss. '.''.Ml К',В> ,-,

-—\--7-^гЯ^ктор ]

iw. " 15

| 11.1)' ::j[Я ' / • i

((»¿йрлл.ешм

Рис. Т. Принцип позитроипо-эмиссионной томографии

Путем введения радиофармпрепаратов, включающих источник позитронов, имеющих тропность к тем или иным органам, и последующего изучения распределения этих препаратов в организме медики имеют возможность определить малейшие отклонения от их нормального функционирования Изучение распределения (концентрации) радиофармпрепарата возможно благодаря регистрации аннигиляционных у-квантов Регистрация происходит при помощи детекторных модулей, состоящих из сцинтилляторов и фотодетекторов (рис. 1) Далее импульс обрабатывается аналоговой и цифровой электроникой для получения изображения Подтверждением того, что произошел факт аннигиляции позитрона, является одновременная регистрация двух у-квантов противоположно расположенными позиционно-чувствительными детекторами под углом 180° Этого можно добиться с помощью кольца детекторов или медленно вращающейся пары противоположных детекторов

Данная информация необходима для визуализации концентрации радиофармпрепарата в исследуемом объекте Размер восстанавливаемого изображения и сложность задачи по обработке данных определяются полем видимости каждого детектора и зависят от геометрии детекторов, их физических характеристик и других факторов

Развитие метода позитронной эмиссионной томографии привело к его активному использованию не только в медицинской диагностике, но и к широкому применению в медико-биологических исследованиях Используя ПЭТ для исследования животных, можно проверять действие новых лекарств и методов лечения Подобные исследования очень перспективны при разработке и проверке новых фармпрепаратов, при изучении функций органов, фар-мокинетики препаратов, при моделировании человеческих заболеваний и методов их диагностики и лечения В Российской Федерации подобные исследования не проводятся из-за отсутствия необходимого для этого оборудования, что резко снижает научный потенциал страны, направленный на развитие отечественного здравоохранения Для выполнения фундаментальных исследований в медицине с использованием современных физико-технических подходов необходима разработка отечественного комплекса оборудования для медико-биологических ПЭТ-центров, создаваемых на базе ведущих медицинских учреждений страны

Пель диссертационной работы заключалась в разработке и исследовании основных характеристик многоканального сцинтилляционного позици-онно-чувствительного детектора с высоким пространственным разрешением на кристаллах Lu2Si05(Ce), предназначенного для решения задач в области позитронно-эмиссионной томографии. Основные задачи, которые решались в ходе работы над диссертацией разработка конструкции детектора, создание программного обеспечения, измерение спектрометрических и временных

характеристик ПЧД, измерение глубины поглощения у-квантов в объеме детектора и исследование фотодиодов с гейгеровской модой усиления с целью определения возможности их использования в ПЧД

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые в России разработан позиционно-чувствительный детектор с возможностью измерения глубины поглощения аннигиляционных у-квантов для задач ПЭТ на базе многоканальных фотодетекторов и сцинтилляторов LSO Проведенный анализ показал высокую значимость этой работы для создания новых позицион-но-чувствительных детекторов в различных областях медицинской физики

Практическая ценность результатов Приведенные в работе исследования продемонстрировали возможность создания современного позиционно-чувствительного детектора с возможностью измерения глубины поглощения у-квантов с энергией 511 кэВ в объеме сцинтиллятора

Предложенная методика позволила производить подробные исследования кристаллов, выращенных по различной технологии (Чохральского, Бриджме-на) С использованием элементов «Пельтье» разработаны недорогая конструкция и технология изготовления автономной детектирующей секции с системой охлаждения и термостабилизации

Для обеспечения оперативного доступа к результатам работ, а также к их обновлению, было создано централизованное хранилище на Интернет-сервисе Разработано ядро (®SPDLib) программного обеспечения для сбора и анализа информации, получаемой от ПЧД

Получены обнадеживающие результаты измерений характеристик современных лавинных фотодиодов, которые позволяют надеяться на создание нового, более совершенного полупроводникового детектора для задач пози-тронной томографии

Разработанные методики представляют интерес для научно-исследовательских институтов и фирм, занимающихся разработкой современных позиционно-чувствительных детекторов и их элементной базы включая RCAST (Япония), Федеральное государственное унитарное предприятие НИИ «Полюс» им М Ф Стельмаха, ЗАО ЦПТА (Центр перспективных технологий и аппаратуры), НИИ «Пульсар», Научно-технологический центр физической кристаллографии Академии Наук Грузии, Институт кристаллографии имени А В Шубникова РАН

На защиту выносятся следующие основные положения:

• Результаты теоретических и экспериментальных исследований сцинтилляционного кристалла LSO,

• Результаты оптимизации одиночного детектора, состоящего из кристалла LSO с двумя фотодетекторами, установленными с обоих торцов сцинтиллятора,

• Технология и конструкция изготовления одиночных детекторов и модулей на их основе Методики контроля основных параметров и испытаний одноканального детектора и детектирующего канала в целом,

• Методика создания сцинтилляционной матрицы LSO с высоким световыходом,

• Результаты исследований фотодиодов с гейгеровской модой усиления,

• Результаты испытаний 2-х прототипов 16-канальных детекторов при облучении их у-квантами с энергией 511 кэВ

Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались на конференциях «МИФИ - 1999» (г Москва, 1999 г ), Международная конференция по неорганическим сцинтилляторам и их применению (г Москва, 2000 г ), Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (Lyon, 2000), 7-th International Conference on Advanced Technology and Particle Physics (Villa Olmo, 2001), International Conference on New Developments in Photodetection (June 2001, Beaune), Научная сессия «МИФИ - 2002» (г Москва, 21 - 25 января 2002 г ), 2006 Nuclear Science Symposium (Medical Imaging Conference, San Diego), 9-й Международный семинар «Новые тенденции в развитии позшронной эмиссионной томографии» (г Санкт-Петербург, 2006 г.).

Достоверность и обоснованность основных научных положений и выводов диссертационной работы определяются сравнением результатов измерений настоящей работы с опубликованными в литературе сопоставимыми данными других авторов и использованием для измерений современной высокоточной электроники и программного комплекса

Личный вклад. Все результаты, представленные в диссертации, получены автором лично или при его определяющем участии

Объём и структура диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения Список цитированной литературы содержит 124 наименования Материал диссертации основан на работах, опубликованных в пе-

риод с 200] по 2007 г.г. в журналах и сборниках научных конференций. Количество работ по теме диссертации, опубликованных за этот период и использованных в диссертации, - 17. Все приведены в автореферате. Работа изложена па 129 страницах, и содержит 10 таблиц и 47 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описаны актуальность, цель, научная новизна и структура диссертационной работы.

В первой главе показано, что создание отечественного позиционно-чувствительного детектора с возможностью измерения глубины поглощения у-к ванта станет весомым вкладом в разработку поз игр о н но- э м и ссионн ого томографа, предназначенного для диагностики на ранней стадии онкологических, неврологических и кардиологических заболеваний. Разрабатываемый детектор должен иметь высокую эффективность регистрации ашшгиляцион-ного гамма-излучения для того, чтобы в обследовании можно было использовать рад и офарм препараты с меньшей активностью или с более коротким временем полураспада. Сравнительно короткое время полураспада большинства радиофармпрепаратов, используемых в ПЭТ, накладывает ограничение на удаленность томографа от биохимической лаборатории. Использование ПЧД с высокой эффективностью регистрации позволит проводить обследование пациентов также при условии низкой активности доставленного радиофармпрепарата.

£к Ьчяи вучЛ №

О,-

13 ¿ин чо=-«>/ц«г

¿-»ел*»«»* & * СсЛИяш** с

Г^ЧЧДЪЛ- 4ЫЧЧ

Рис. 2. Вклад случайных совпадений и эффекта «параллакса» в ухудшение пространственного разрешения п озитр он н о- эм и с си о иного томографа.

Увеличение числа детекторов и их характеристик в ПЭТ-системе позволяет улучшить пространственное разрешение. Но существует предел этого разрешения, ограниченный факторами, которые не могут быть устранены только описанным выше способом. В частности, это неколлинеарность разлета ан-нгагиляционных у-квантов, пробег позитрона до момента аннигиляции и комптоновское рассеяние у-квантов в соседние детекторы. Наилучших результатов в пространственном разрешении можно получить только в случае учета этих компонент. Моделирование пробега позитрона в воде методом Монте-Карло (рис. 3) позволяет сделать выи оды относительно таких параметров разрабатываемого ПЭТ, как диаметр детекторной системы и конструкция элементов ПЧД.

X, СМ

Рис. 3. Пробег ста позитронов в воде для точечного источника Си. Модель сформирована в программе EGS4 (Electron Gamma Shower).

Программная поддержка эксперимента должна осуществляться на самом высоком уровне. Быстрая обработка информации требует использования самых современных достижений в области программирования.

Аппаратная архитектура системы была изначально разделена на принципиальные блоки, чтобы можно было относительно легко осуществлять:

• Съем информации с детекторов;

• Контроль и сверку полученных данных;

■ Управление установкой;

• Обработку и запись полученной информации.

В данной работе не проводилась коррекция ослабления у-квантов, т к источник был точечный

Предварительные исследования выявили необходимость детального исследования современных сцинтилляционных материалов Высокий уровень собственного шума вносит дополнительный вклад в ухудшение разрешения детекторной системы Также их использование в области медицинской физики ограничено жесткими требованиями по радиационной безопасности

Во второй главе подробно описана используемая в работе прецизионная аппаратура для проведения спектрометрических и временных измерений Она позволила получить наилучшие результаты, которые перепроверялись в сериях различных экспериментов Результаты предварительных исследований временных параметров одиночных кристаллов по их световыходу придали дополнительную уверенность в правильности выбранного направления создания позиционно-чувствительного детектора для ПЭТ Многолетняя практика работы с современными неорганическими сцинтилляторами и налаженные отношения с производителями таких кристаллов в таких странах, как Россия, Грузия, Украина, США и Франция, стали решающими в выборе кристалла ЬБО как основного сцинтиллятора для создания ГГЧД В качестве перспективного сцинтиллятора рассматривался недавно созданный кристалл ЬУЗО Количество таких кристаллов было небольшое, и поэтому не удалось использовать его непосредственно при создании опытного экземпляра детектора В отечественных лабораториях удавалось вырезать кристаллы различных размеров, что обеспечивало «гибкость» конструкции детектора Варьируя геометрические размеры кристаллов, можно было менять толщину свинцовой прослойки для уменьшения доли межканального рассеянного излучения, а также делать детектор более компактным Последний фактор немаловажен при создании ПЭТ с большим числом каналов для получения высокой разрешающей способности

Была сделана попытка выращивания кристаллов ЬЗО методом Бриджме-на Удалось получить небольшие образцы со средним световыходом на уровне 10000 фотонов/МэВ Наряду с низкой стоимостью кристаллов, получаемых таким способом, и продолжающимися работами над увеличением свето-выхода, эти сцинтилляторы могут быть успешно использованы в других приложениях регистрации рентгеновского излучения, создания дозиметрических систем и т п

Энергическое разрешение {51 \ %

Рис. 4. Результат выборки сцинтшшяционных кристаллов LSO по энергетическому разрешению при облучении их "¡'-кван тами 511 кэВ (MNa).

Самым лучшим многоканальным фотоумножителем для создаваемого ТТЧД оказался 16-канальный фотоумножитель производства фирмы Hamamatsu. Наряду с высокой квантовой эффективностью, компактностью и удобством в эксплуатации он обеспечивал высокую стабильность работы и сохранение заявленных производителем рабочих характеристик. Многофункциональный комплекс "Newport Corporation" для перемещения детектора в трех направлениях позволил проводить серии высокоточных экспериментов по измерению глубины поглощения в автоматическом режиме. В экспериментах использовались различные радиоактивные источники. Такой подход позволял использовать методы перекрёстной проверки получаемых результатов по световыходу и энергетическому разрешению. Вопрос температурной стабильности экспериментальной установки встал в первый же день после запуска установки. Большое число тепловыделяющих элементов электроники, расположенной в детекторе и рядом с ним, приводило к «плаванию» результатов измерений. Для исправления ситуации была собрана система охлаждения на элементах «ТТедагье» и малогабаритном медном радиаторе, обдуваемом вентилятором. Температурный режим измерительного стенда управлялся программным способом.

В третьей главе приведено описание программного обеспечения, используемого в экспериментах. Современные эксперименты редко обходятся без специализированного программного обеспечения, и данная работа не явилась исключением. Зачастую его разработка бывает сопоставима по стоимости и трудозатратам с проводимым экспериментом. Ошибка в его проектировании может значительно увеличить риски всей исследовательской работы.

Весь процесс разработки был разбит на небольшие задачи, время выполнения которых было жёстко регламентировано. Такой подход позволял кон-

третировать все отрезки написания программы, написать руководство пользователя, спланировать её тестирование, исправление И сборку, что сказалось на качестве всей программы. В результате во время работы программы на эксперименте но было обнаружено НИ одного серьезного сбоя, который мог бы привести к остановке измерений.

Д£ 1

srejtoiBt

Г Каналы | Пик Г:Фои ] Шайдм Наш?р t epwn 1 Время [ Дата | Фильтр

► 1 746 1 02341М-СП-801 57:44(09} 21.0-9.2005 4

i, 2 ;7£2 .'29 ;.i 0234114-00^01 17:44 (-09) :2t ,09.2005 4

3 '760 29 1 ft?34D4-Cn a01 17:44 {-03) .2t.G9.2005 4

4 7ЕЭ ;зо ;i 023404-СП-301 17:44 {-09) 2t .05.2006 4

i ■-■- 4 7Б0 1 02340i-Cn-ÖU> 17-44 t09j 2\m.?or& 4

4 749 28 1 0?3404'Cn.S01 17:44 f-OS) •21.05.3005 ¡4

5 754 30 1 023404-С П-fiOt : 17:44 (-09) 21.ÖS.2ÖÖS 4

е 763 30 1 023404-CTl-GCi 17:44 (-0У) 21 05* 2006 4

.. TGI ___:i ______ стлал Г:nwii n iJi 1 na, 11 n(J oonc-j.......

Рис. 5. Основное рабочее окно программы SPD v. 2.171. Язык программирования С# (.NET).

Созданная программа (рис. 5) была реализована согласно технологии SOA (сервисно-ориентированной архитектуры). Такая реализация позволила разделить ядро программы на модули, которые могли изменяться отдельно, без затрагивания остальных частей программы. Это сэкономило значительное число времени программистов, т. к. некоторые части программы в силу различных причин приходилось переписывать несколько раз. Прозрачность решения и его модульность позволили привлекать без ущерба для качества всего проекта новых программистов взамен ушедших из эксперимента.

К программе были подключены все основные блоки электроники: контроллеры, дискриминаторы, система охлаждения детектора, система позиционирования детекторов, блоки питания. Все настройки могли быть занесе-

ны оператором в шаблон и сохранены в коллекцию шаблонов Любой из шаблонов мог бьггь вызван в любое время, что обеспечивало прозрачность в настройке экспериментальной установки и высокую повторяемость экспериментов

Программа может работать в автоматическом и полуавтоматическом режимах В автоматическом режиме запуск измерительного стенда в режиме накопления результатов происходил только после того, как были стабилизированы все основные параметры температура, уровни дискриминации, напряжение питания детектора В полуавтоматическом режиме оператор может вручную запустить режим измерений, но при этом программа автоматически записывала все исходные данные установки

Надо отметить, что добавление нового устройства и его включение в программную архитектуру могло происходить за считанные часы К примеру, счетчики в стандарте С AM АС были подключены к программе за 2,5 часа

Созданное программное обеспечение не являлось сдерживающим фактором при проведении научных исследований, и автор диссертации мог сосредоточиться на решении основных физических задач

Четвёртая глава посвящена исследованиям, проводимым в рамках диссертационной работы Результаты исследований собственного шума сцин-тиллятора LSO позволили регулировать уровни порогов дискриминации сигнала таким образом, чтобы добиться максимального отношения сигнала к шуму и при этом значительно не потерять в эффективности регистрации Благодаря оригинальной схеме крепления фотодетекторов и сцинтилляторов удалось на 9% увеличить количество собираемого света

Благодаря быстрому времени высвечивания кристалла была достигнута высокая эффективность регистрации у-квантов при сохранении высокого отношения сигнал/шум Экспериментально измеренная эффективность регистрации аннигиляционных у-квантов с энергией 511 кэВ составляет величину > 95%

Для увеличения световыхода и уменьшения доли рассеянного излучения был разработан технологический процесс изготовления тонких светоотражающих многослойных пластин Пластина была склеена при помощи эпоксидного клея из слоев «тефлон + свинец + тефлон» Процесс оказался вполне приемлемым с точки зрения технологичности, стоимости и времени изготовления

Вместе с разработчиками сцинтилляционных кристаллов были проведены исследования методик выращивания кристаллов, влияние концентрации активирующих добавок на световыход Методики отжига и химического травления исходной шихты позволили уменьшить уровень собственного шума кристалла в полтора раза Исследования эффективной длины ослабления све-

та в кристалле необходимы, так как этот параметр играет ключевую роль в характеристиках томографа. Уменьшения ослабления света в кристалле можно добиться за счет специальной полировки кристалла и использования тефлонового светоотражающего покрытия.

В ходе исследований были высказаны предположения, что наличие длительной компоненты высвечивания связано с наличием примесных атомов в кристаллической структуре, поскольку излучательные переходы происходят с долго живущих возбуждённых электронных состояний внутри примесных атомов. Менее чистая исходная шихта силиката лютеция приводила к ослаблению первой быстрой компоненты высвечивания (40 не) и, соответственно, оптического отклика сцинтилляционного кристалла.

Для автоматической нормировки каналов фотодстектора были разработаны стенд и методика на основе реперного сигнала еветодиода, с помощью которого можно оперативно проводить настройку ПЧД-детектор а.

■■—г к,

Ш11Ш11**- - . - I-- ' ]

! Т

V ! СЧ г|-

$ фз] —4

< Г"?

Каи.™

Рис. 6. Результат временного разрешения системы из двух ПЧД детекторов в режиме регистрации аннигиляционных у-квантов.

В экспериментальных исследованиях «блок-эффекта», возникающего при рассеяний у-квантов в объёме детектора было измерено среднеквадратичное отклонение между точкой взаимодействия с детектором и средней точкой йсех взаимодействий в кристалле. В детекторной матрице, состоящей нз кристаллов Ц50 длиной 30 мм и площадью (16x16) мм2, величина размытия составила 0,85 мм. Время восстановления детекторной системы было измерено при помоги импульсного лазера. Уровень сигнала восстанавливался до 90% от исходного уровня за 100 не. Эта величина хорошо согласуется с требованиями, предъявляемыми к позициошю-чувствительным детекторам ПЭТ.

Портал томлям&э- Случайнее ;.

■ 150 >

* . Внеглнйе фоко ¡руй даВДЯЙ^ -:•:'

М »'ист мль УМЕ

.5] УТочч«ние *50[\!]КП»ТК

Лег к НН£

параллелен

Рис. 7. Блок-схема измерительного тракта позитронно-эмиссионного томографа на основе разработанного ПЧД.

Задача определения местоположения аннигилирующего позитрона в веществе была поставлена гораздо раньше возникновения позитрошго-эм и се ионной томографии. Научные работы в этой области были направлены на определение координат аннигиляции позитрона посредством точного измерения разницы во времени прихода анни гвляционных у-к кантон в противоположно стоящие детекторы. Другими словами, положение позитрона может быть ограничено не точкой пересечения линий отклика, а расстоянием, которое может пройти у-квант от места аннигиляции до момента, когда он будет зарегистрирован детектором. Этот способ достаточно прост, пс требуе т создания алгоритмов реконструкции и определяется только временным разрешением детекторов.

Получение субсантиметрового пр остр а пегие иного разрешения требует временного разрешения менее 50 пс. Сейчас такую величину получить невозможно. Достижимое временное разрешение Д1 = 500 пс, которое ограничивает определение положения позитрона приблизительно 7,5 см.

Временные измерения ПЧД на ускорителе ИТЭФ на пучке л* мезонов с импульсом 1,28 ГэВ/с показали, ч то временное разрешения детектора равно

170 пс. Изучение временного разрешения ПЧД является важнейшей частью исследований свойств позиционно-чувствительного детектора. Быстрая электроника должна обеспечивать уменьшение влияния шумовых импульсов позитрон но-эмиссионного томографа за счёт сужения предполагаемой области аннигиляции позитрона в ткани пациента.

Временные измерения в схеме из двух ОТД-детекторов (рис. 6), регистрирующих аннигиляционные у-кванты, показали, что временное разрешение равно 600 пс, В ПЭТ этот способ используется наряду с алгоритмами восстановления и позволяет уменьшить фактор случайных совпадений (рис. 8), увеличить эффективность счетной системы и улучшить качество восстанавливаемого изображения. Для исследований была изготовлена схема обработки аналоговых сигналов в реальном масштабе с использованием линий задержки, которая позволила повысите, временное разрешение и исключить ошибки измерении за счёт наложения последующих сигналов.

Рис. 8. Принцип уменьшения числа случайных со и падений в ПЭТ за счёт использования временного фильтра событий.

Стандартный модуль детектора ПЭТ представляет собой сцин тел л анионную матрицу, к которой с одной из сторон присоединены фотодстекторы. Невозможность в такой схеме измерить глубину поглощения у-кванта в объёме стдантнллятора приводит к появлению эффекта «параллакса» в процессе восстановления изображения и потере чувствительности ПЭТ. Для событий аннигиляции, которые происходят не в центре томографа, у-кванты попадают под углами, отличными от 90°, по отношению к торцевой поверхности сцин-тиллятора. Для уменьшения этого эффекта можно использовать детекторное кольцо большего диаметра, но это приводит к использованию ещё большего числа датчиков и увеличению вклада неколлинеарных событий. Использование более коротких сцинтилляторов может уменьшить эффект параллакса, по приведёт к существенному уменьшению эффективности регистрации у-квантов.

Применение фплыра ТОР

/Л

В зависимости от размера кристалла у-квант может пролететь несколько сцинтилляторов, прежде чем поглотится. В этом случае никакой полезной информации, кроме как номер кристалла, в котором произошло событие, не существует, и проведение линии отклика ПЭТ приводит к размытию получаемого изображения.

Одним из методов решения данной проблемы является установка двух фото детекторов с обеих сторон сцинтиллятора и измерение глубины поглощения у-кванта, как показано на рис, 9.

\

у

от и»'

[.ко

X]

I А ЦП

__________^ С^дй

Рис. 9, Схема эксперимента по измерению глубины поглощения у-кванта с использованием полупроводникового фотодетектора.

Результаты по измерению глубины поглощения в детекторе (рис. 10) показали, что разработанный 1ТЧД позволяет' существен ко уменьшить эффект параллакса, который в процессе восстановления изображения приводит к потерям чувствительности ПЭТ.

и лЦ

■

-

'А,-.- '

0

"К >И ж да

Каналы

Рис. 10. Результаты измерений зависимости спектра высвечивания ЬЭО (4x4x30 мм3) + на фотоумножителе Натата(яи Н8711 от глубины поглощения у-квантов.

В пятой главе приведены результаты исследований фотодиодов с гейгеровской модой усиления, которые показывают, что их использование может дать серьезные преимущества при создании современного позиционно-чувствительного детектора Высокая квантовая эффективность фотодетектора, высокая скорость счета и усиление (106-^ 107) в сочетании с низкой стоимостью некоторых моделей 100 $/канал) в будущем станут определяющими при создании ПЧД нового поколения для задач медицинской томографии Детектор имеет малые размеры и низкое энергопотребление, что приводит к уменьшению размеров и веса всего массива позиционно-чувствительных детекторов, установленных в кольцах ПЭТ Высокое внутреннее усиление позволяет убрать из схемы дорогостоящие и «капризные» зарядочувствительные усилители У APDG практически отсутствует нечувствительная зона и, соответственно, может быть достигнута высочайшая плотность ПЧД Использование позиционно-чувствительных фотодиодов в принципе может дать улучшение пространственного разрешения ПЧД Фотодиоды достаточно успешно производятся на нескольких отечественных предприятиях, что немаловажно в аспекте цены APDG и сопряженных с ними устройств

В заключении перечислены основные результаты, полученные в диссертационной работе

1 Приведенные в работе исследования продемонстрировали возможность создания позиционно-чувствительного детектора с возможностью измерения глубины поглощения у-квантов 511 кэВ в объеме сцинтиллятора Ключевые результаты исследований (22Na, Еу = 511 кэВ)

• Временное разрешение детектора - 600 пс,

• Пространственное разрешение (RaxRtxRr) - 4x4x10 мм,

• Энергетическое разрешение - 12%;

• Стоимость опытного экземпляра - 20000 $

2 Создана современная аппаратная и методологическая инфраструктура для проведения расчетных и конструкторско-технологических работ,

3 Разработана методика и собрано метрологическое оборудование для отбора сцинтилляторов LSO с требуемыми параметрами Проведены теоретические и экспериментальные исследования сцинтилляционного кристалла Проведены подробные исследования кристаллов, созданных по различным технологиям (Чохральского, Бриджмена) Определены оптимальные параметры, согласно которым должна осуществляться выборка необходимого количества сцинтилляторов с требуемыми характеристиками Оптимизирован размер одиночного детектора, состоящего из кристалла LSO с двумя фотодетекторами, установленными с обоих торцов сцинтиллятора Все исследования проводились с участием технологической

группы инженеров центра кристаллографии, что позволило получить наилучшие результаты по световыходу и энергетическому разрешению,

4 Межкристальное комптоновское рассеяние, внутренняя радиоактивность сцинтилляторов и оптическая связь фотодетектора не влияют существенно на основные характеристики детектора Для увеличения световыхода и уменьшения доли рассеянного излучения был разработан технологический процесс изготовления тонких светоотражающих многослойных пластин,

5 Высокие требования к результатам эксперимента обуславливали применение самой современной электроники и программного обеспечения с распараллеленной модульной (SOA) архитектурой считывания и анализа больших объемов информации Для обеспечения оперативного доступа к результатам работ, а также к их обновлению было создано централизованное хранилище на Интернет-сервисе Разработано ядро (®SPDLib) программного обеспечения для сбора и анализа информации, получаемой от

пчд,

6 С использованием элементов «Пельтье» разработаны недорогая конструкция и технология изготовления автономной детектирующей секции с системой охлаждения и термостабилизации Разработаны конструкция и технология изготовления одиночных детекторов и модулей на их основе Разработаны методики и оборудование для контроля основных параметров и испытаний одноканальных детекторов и детектирующего канала в целом Разработана методика создания сцинтилляционной матрицы LSO с высоким световыходом,

7 Измерение глубины поглощения у-квантов, а также последующая идентификация и реконструкция рассеянных у-квантов 511 кэВ в объеме сцин-тиллятора - многообещающее направление на пути улучшения пространственного разрешения ПЭТ;

8 На основе 16-канальных фотоумножителей Hamamatsu и многоканальных pin-фотодиодов изготовлены 2 прототипа ПЧД-детекторов и проведены их испытания на пучках у-квантов Определены временное, энергетическое и пространственное разрешения детекторов,

9 Результаты исследований фотодиодов с гейгеровской модой усиления показывают, что их использование может дать серьезные преимущества при создании ПЧД Высокая квантовая эффективность фотодетектора, высокие скорость счета и усиление (106- 107) в сочетании с низкой стоимостью некоторых моделей (~ 100 $/канал) в будущем станут определяющими при создании ПЧД нового поколения для задач медицинской томографии

Публикации и доклады по теме диссертации

1 Башарули Н В , Беляев В Н , Зо Тхет, «Современный многоканальный позиционно - чувствительный детектор для задач позитрон - эмиссионной томографии» Инженерная физика 1/2007 с 53-59,

2 Н.В Башарули, В Н Беляев, Н Silveira, Р Yokiashi, М Namtalishvih, Зо Тхет, «Временные характеристики современного позиционно - чувствительного детектора для задач позитрон - эмиссионной томографии» Научная сессия МИФИ - 2007 том 5, с 14-15,

3 Башарули Н В , Беляев В Н , Зо Тхет, «Определение времяпролетных характеристик и глубины поглощения у - кванта с помощью современного позиционно - чувствительного детектора на основе сцинтилляторов LSO», 2006 «Ядерные измерительно-информационные технологии», 4(20) с 74-82,

4 N Basharuh, М Namtalishvih, A Mikabendze, Р Magalashvili, Z Razmadze, М Gabeskiria, Т Sanadze, Growth of Ce-Doped LSO «Single Crystals by Stockbarger-Bndgman Modified Crystallization Method», 2006 Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference, 2006 San Diego, California http //www nss-mic org/2006/.

5 N Basharuh, V Belyaev, M Namtalishvih, Z Htet, Y Myo Aung «PositionSensitive Detector for PET Based on Multi-Channel APD and Scintillation Crystals LSO», 2006 Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference, 2006 San Diego, California http //www nss-mic org/2006/.

6 N Basharuh, M Namtalishvih, Member of the Academy T Sanadze, P Magalashvili, A Mikabendze, «Growth of Ce-doped LSO Single Crystals by Stockbarger-Bndgman Modified Crystallization Method» Bulletin of the Georgian Acad, of Sciences Vol 174 pp 14-19,

7 N Basharuh, M Namtalishvih, Member of the Academy T Sanadze, «Detectors for Nuclear Spectrometry Based on Ce-activated Lutetium-Yttnum Oxyor-thosihcate Single Crystals» Bulletin of the Georgian Acad of Sciences Vol 174 pp 17-22,

8 N Basharuh, M Namtalishvih, Member of the Academy T Sanadze, P Magalashvili,«Effect of Thermal Treatment Upon Scintillation and Background Cha-ractenstics of LSO Ce Single Crystals» Bulletin of the Georgian Acad of Sciences Vol 174 pp 15-19,

9 H В Башарули, M И Намталишвили, А А Микаберидзе, 3 Г Размадзе, П В Магалашвили, «Определение оптимальных условии выращивания монокристаллов оксиортосиликата лютеция и исследование их сцинтил-ляционных свойств» труды юбилейного сборника ГИН АН Грузии, 2006 Том 2 с 67-72,

10 Башарули Н В , Беляев В Н , Наумова А С «Проект по разработке детектора для решения задач радиоиммунного анализа» Научная сессия МИФИ -2006 Научная сессия МИФИ - 2006 Том 4, с 22-24,

11 Башарули Н В , Зо Тхет , Ян Мьо Аунг, «Проект создания современного позиционно - чувствительного детектора для задач позитрон - эмиссионной томографии» Научная сессия МИФИ - 2006 Том 5, с 19-20,

12 А В Акиндинов, Н В Башарули, В Н Беляев, Г Б Бондаренко, В М Головин, В Петров «Временное разрешение сцинтилляционного детектора на основе кремниевого микроячеистого фотодетектора с ограниченным гейгеровским режимом усиления (MRS - структура) и органического сцинтиллятора» Научная сессия МИФИ - 2002 Том 5, с 43-44,

13 N Basharuli, V Belyaev, В Bekenov, G Bondarenko, G. Bntvich, V Golovm, E Gngonev, V Petrov, N Ponomarev, V Semenov, «Registration of charged particles by scintillating fibers» Информационный бюллетень центра перспективных технологий и аппаратуры (ЦПТА) Направлен в ИТЭФ, 2001 г,

14 Н В Башарули, В Н Беляев, Г Б Бондаренко, В М Головин, В Петров «Методы режекции триггерных событий в схеме APDG + сцинтилляцион-ная фибра + ^Sr» Научная сессия МИФИ - 2002 Том 5, с 40-42,

15 Н В Башарули, В Н Беляев, Г Б Бондаренко, П Ж Бужан, В М Головин, «К вопросу об эффективности регистрации оптического излучения кремниевым микроячеистым фотодетектором с ограниченным гейгеровским режимом усиления (MRS - структура)» Научная сессия МИФИ - 2001,

16 N V Basharuli, V N Belyaev, G В Bondarenko, Р G Buzhan, V M Garmash, V M Golovin, 11 Kalashmkova, S L Lubeckn, «Spectrometry of charged particles by inorganic scintillators coupled with /¿cell Si APDG» «7th International Conference on Advanced Technology and Particle Physics» (Villa Olmo, October 15-19,2001) www nss2000 m2p3 fr,

17 N Basharuli, V Belyaev, В Bekenov, G Bondarenko, G Bntvich, V Golovin, E Gngonev, V Petrov, N Ponomarev, V Semenov, «SCIFIs readout with microcell Si APDG» «7th International Conference on Advanced Technology and Particle Physics» (Villa Olmo, October 15-19, 2001),

18 N Basharuli, V. Belyaev, В Bekenov, G Bondarenko, G Bntvich, V Golovin, E Gngonev, V Petrov, N Ponomarev, V Semenov, «Investigation of Operation Charactenstics of the Detection Systems Based on /¿Cell Si APDG (MRS - type) coupled with Fibers or Scintillators» «International Conference on New Developments in Photodetection» (June 2001, Beaune, France)

Подписано в печать 09 10 2007 г Исполнено 09 10 2007 г Печать трафаретная

Заказ № 857 Тираж 100 экз

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш , 36 (495) 975-78-56 www autorcferat ru

Введение.

1. Методологические принципы ПЭТ.

1.1. Различные методики ПЭТ-обследований.

1.2. Позитроны в ПЭТ.

1.3. Фильтрация событий ПЧД.

1.4. Пространственное и энергетическое разрешение детекторной системы.

1.5. Выводы к главе 1.

2. Конструкция модуля детектора.

2.1. Сцинтиллятор ПЧД для ПЭТ.

2.2. Фотоумножитель для ПЧД.

2.3. Радиоактивные источники в экспериментах.

2.4. Электроника полупроводникового детектора и анализ событий.

2.5. Зарядочувствительные предусилители.

2.6. Выводы к главе 2.

3. Программное обеспечение эксперимента.

3.1. Протоколы передачи данных.

3.2. Выводы к главе 3.

4. Экспериментальные измер ения.

4.1. Собственная радиоактивность сцинтиллятора.

4.2. Измерение абсолютного световыхода.

4.3. Зависимость между светосбором и временем интегрирования.

4.4. Счётные характеристики.

4.5. Зависимость световыхода от типа светоотражающего покрытия.

4.6. Исследование зависимости световыхода и времени высвечивания от концентрации активных добавок в сцинтилляторе.

4.7. Нормировка и калибровка детектора.

4.8. Чувствительность детектора.

4.9. Время восстановление детекторной системы.

4.10. Временные измерения ПЧД на пучке тс'-мезонов.

4.11. Временные измерения с использованием ПЧД.

4.12. Измерение глубины поглощения ПЧД.

4.13. Выводы к главе 4.

5. ПЧД на лавинных фотодетекторах.

5.1. Результаты исследований экспериментального образца АРБ.

5.2. Сцинтилляционная фибра + ЦСе11 АРБв.

5.3. ТОР-измерения с }1Се11 АРБС с органическим сцинтиллятором.

5.4. Измерения в схеме: АРБо + фибра + 238Ри.

5.5. Измерения АРБ с неорганическими сцинтилляторами (Сей, 2п8).

5.6. Выводы к главе 5.

Публикации и доклады.

Актуальность темы. Создание позиционно-чувствительного детектора для регистрации у-квантов с энергией 511 кэВ является одной из ключевых задач разработки отечественного позитрон-эмиссионного томографа (ПЭТ), предназначенного для диагностики на ранней стадии онкологических, неврологических и кардиологических заболеваний. Разрабатываемый детектор должен иметь высокую эффективность регистрации у-квантов для того, чтобы в обследовании можно было использовать радиофармпрепараты с меньшей активностью или с более коротким временем полураспада.

ПЭТ - современная технология для измерений биохимической активности организма, представленной локальной концентрацией радиофармпрепарата в ткани пациента. Полученные при этой технологии изображения отражают физиологические процессы, протекающие на молекулярном уровне. Эта информация может быть использована для характеристики многих жизненно важных процессов, включая метаболизм глюкозы, кровообращение, утилизацию кислорода, на основании чего врачи-клиницисты способны оценить состояние живых органов и тканей. Стремительный интерес к этому методу врачей в нашей стране обусловлен статистикой заболеваний. В отличие от таких традиционных диагностических технологий, как KT, ЯМР и УЗИ, которые предоставляют информацию об структурных изменениях, ПЭТ даёт возможность оценить функцию органа или ткани, которая в большинстве случаев нарушается раньше, чем появляются структурные изменения.

Путём введения радиофармпрепаратов, содержащих источник позитронов, имеющих тропность к тем или иным живым органам, и последующего изучения распределения этих препаратов в них медики имеют возможность определить малейшие отклонения от их нормального функционирования. Изучение распределения (концентрации) радиофармпрепарата возможно благодаря регистрации аннигиляционных у-квантов. Регистрация происходит при помощи детекторных модулей, состоящих из сцинтилляторов и фотодетекторов. Далее импульс обрабатывается аналоговой и цифровой электроникой для получения изображения. Подтверждением того, что произошёл факт аннигиляции позитрона, является одновременная регистрация двух у-квантов противоположно расположенными позиционно-чувствительными детекторами. Этого можно добиться с помощью кольца детекторов или медленно вращающейся пары противоположно расположенных детекторов. Последнее решение нуждается в меньшем количестве электроники и детекторов, но требует более продолжительного времени измерений или более высокой дозы радиофармпрепарата.

Данная информация необходима для визуализации концентрации радиофармпрепарата в исследуемом объекте. Размер восстанавливаемого изображения и задачи по обработке данных определяется полем видимости каждого детектора и зависит от геометрии детекторов, их физических характеристик и других факторов.

В онкологии ПЭТ применяется для раннего и точного выявления безопасным путём злокачественных опухолей и их метастазов любых локализаций. Исследование всего тела занимает от одного до двух часов. Метод ПЭТ незаменим при определении стадии и распространённости новообразований, при подборе адекватной терапии, а также в оценке эффективности проведённого хирургического, лучевого лечения и/или химиотерапии. В кардиологии ПЭТ является «золотым стандартом» в диагностике нарушений кровоснабжения и метаболизма миокарда. ПЭТ успешно применяется при уточнении характера изменений в миокарде при ишемической болезни сердца, а также в сложных диагностических случаях, когда данные, полученные другими методами исследования, оказываются сомнительными или противоречивыми, особенно когда пациенту противопоказаны пробы с физической нагрузкой. ПЭТ позволяет оценить жизнеспособность миокарда, точно определять показания к реконструктивным операциям, контролировать состояние миокарда после оперативного вмешательства, подбирать оптимальные дозы лекарственных препаратов, проводить динамический контроль эффективности лечения, верифицировать кардиомио-патию, миокардиодистрофию и т. д. [82]. Существующие ПЭТ-томографы в России достаточно современны, но их мало: ЦНИРРИ (Siemens ЕС AT Exact,

Siemens ECAT Exact HR+), Больница № 1 МЦ УД Президента РФ (Siemens ЕСАТ Exact), Военно-медицинская академия (Siemens Biograph) (PET / CT).

Развитие метода позитронной эмиссионной томографии привело к его активному использованию не только в медицинской диагностике, но и к широкому применению в медико-биологических исследованиях. Используя ПЭТ для исследования животных, можно проверять действие новых лекарств и методов лечения. Подобные исследования очень перспективны при разработке и проверке новых фармпрепаратов, при изучении функций органов, фармокинетики препаратов, при моделировании человеческих заболеваний и методов их диагностики и лечения. В Российской Федерации подобные исследования не проводятся из-за отсутствия необходимого для этого оборудования, что резко снижает научный потенциал страны. Для выполнения фундаментальных исследований в медицине с использованием современных физико-технических подходов необходима разработка отечественного комплекса оборудования для медико-биологических ПЭТ-центров, создаваемых на базе ведущих медицинских учреждений страны.

Цель диссертационной работы заключалась в разработке и исследовании основных характеристик многоканального сцинтилляционного позиционно-чувствительного детектора (ПЧД) на кристаллах Lu2Si05(:Ce) с высоким пространственным разрешением, предназначенного для решения задач в области позитронно-эмиссионной томографии.

Проведённый анализ показал, что задача разработки новых типов ПЧД является весьма сложной и многоплановой, т. к. включает в себя поиск новых взаимосвязанных приборных, схемотехнических и технологических решений. Вследствие этого для достижения поставленной цели необходимо выполнение следующих этапов работы:

• Сравнить параметры основных типов позиционно-чувствительных детекторов для ПЭТ;

• Разработать конструкцию и технологический процесс изготовления пози-ционно-чувствительных детекторов;

• Создать программное обеспечение для задач эксперимента;

• Провести спектрометрические и временные измерения позиционно-чувствительного детектора;

• Исследовать эффективность регистрации у-квантов (511 кэВ) с помощью позиционно-чувствительного детектора;

• Провести измерения глубины поглощения у-квантов в объёме позиционно-чувствительного детектора;

• Исследовать основные характеристики фотодиодов с гейгеровской модой усиления с целью определения возможности их использования в позици-онно-чувствительном детекторе.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые в России разработан позиционно-чувствительный детектор с возможностью измерения глубины поглощения для задач ПЭТ на базе многоканальных фотодетекторов и сцинтилляторов LSO. Был проведён сравнительный анализ предложенных в диссертационной работе решений и современных типов ПЧД, в результате чего выбран оптимальный вариант для реализации. Достоверность и обоснованность основных научных положений и выводов диссертационной работы определяются сравнением результатов измерений настоящей работы с данными других авторов и использованием для измерений современной высокоточной электроники и программного комплекса. Проведённый анализ показал высокую значимость этой работы для создания новых позиционно-чувствительных детекторов в различных областях физики медицинской физики.

Практическая ценность результатов. Приведённые в работе исследования продемонстрировали возможность создания современного позиционно-чувствительного детектора с возможностью измерения глубины поглощения у-квантов с энергией 511 кэВ в объёме сцинтиллятора. Предложенная в работе методика позволила производить исследования сцинтилляционных кристаллов, выращенных по различным технологиям (Чохральского, Бриджмена). С использованием элементов «Пельтье» разработаны недорогая технология изготовления и конструкция автономной детектирующей секции с системой охлаждения и термостабилизации. Для обеспечения оперативного доступа к результатам работ, а также к их обновлению было создано централизованное хранилище на Интернет-сервисе.

Разработано ядро (®8РБЫЬ) программного обеспечения для сбора и анализа информации, получаемой от ПЧД. Получены обнадёживающие результаты измерений характеристик современных лавинных фотодиодов, которые позволяют надеяться на создание нового, более совершенного полупроводникового детектора для задач томографии.

Полученные результаты исследований показывают, что на основе разработанного позиционно-чувствительного детектора могут быть созданы современные системы для решения задач в области спектрометрии, радиометрии таможенного контроля, отличающиеся уникальными параметрами по пространственному и временному разрешению, эффективности регистрации.

Разработанные методики представляют интерес для научно-исследовательских институтов и фирм, занимающихся разработкой современных позиционно-чувствительных детекторов и их элементарной базы, включая Федеральное государственное унитарное предприятие НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха, ЗАО ЦПТА (Центр перспективных технологий и аппаратуры), НИИ «Пульсар», Научно-технологический Центр физической кристаллографии Академии Наук Грузии, Институт кристаллографии имени А. В. Шубникова РАН.

На защиту выносятся следующие основные положения:

• Результаты теоретических и экспериментальных исследований сцин-тилляционного кристалла Ь80;

• Результаты оптимизации одиночного детектора, состоящего из кристалла LSO с двумя фотодетекторами, установленными с обоих торцов сцинтиллятора;

• Технология и конструкция изготовления одиночных детекторов и модулей на их основе. Методики контроля основных параметров и испытаний одноканального детектора и детектирующего канала в целом;

• Методика создания сцинтилляционной матрицы LSO с высоким свето-выходом;

• Результаты исследований фотодиодов с гейгеровской модой усиления;

• Результаты испытаний 2-х прототипов 16-канальных детекторов при облучении их у-квантами с энергией 511 кэВ.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на конференциях: Научная сессия «МИФИ - 1999» (г. Москва, 21-25 января 1999 года), Международная конференция по неорганическим сцинтилляторам и их применению (г. Москва, 16 - 20 августа 2000 года), Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (Lyon, France, October 15 - 20, 2000), Научная сессия «МИФИ - 2001» (г. Москва, 21-25 января 2001 года), 7-th International Conference on Advanced Technology and Particle Physics (Villa Olmo, October 15 -19, 2001), International Conference on New Developments in Photodetection (June 2001, Beaune, France), Научная сессия «МИФИ - 2002» (г. Москва, 21-25 января 2002 года), 2006 Nuclear Science Symposium ( Medical Imaging Conference, 2006 San Diego, California), 9-й Международный семинар «Новые тенденции в развитии позитронной эмиссионной томографии» (Санкт-Петербург, 18-19 сентября 2006 года).

Достоверность и обоснованность основных научных положений и выводов диссертационной работы определяются сравнением результатов измерений настоящей работы с опубликованными в литературе сопоставимыми данными других авторов. 9

Публикации и доклады. Результаты диссертации опубликованы в 17 работах, список которых приведён в конце диссертации.

Личный вклад. Все представленные в диссертации результаты получены автором лично или при его определяющем участии.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Список цитированной литературы содержит 124 наименования. Работа изложена на 129 страницах и содержит 10 таблиц и 47 рисунков.

Основные выводы

- Сформирован проект по разработке современного позиционно-чувствительного детектора для задач позитрон-эмиссионной томографии;

- Разработана методика и собрано метрологическое оборудование для отбора сцинтилляторов Ь80 с требуемыми параметрами. Проведены теоретические и экспериментальные исследования сцинтилляционного кристалла. Проведены подробные исследования кристаллов, выращенных по различной технологии (Чохральского, Бриджмена). Определены оптимальные параметры, согласно которым должна осуществляться выборка необходимого количества сцинтилляторов с требуемыми характеристиками. Оптимизирован размер одиночного детектора, состоящего из кристалла Ь80 с двумя фотодетекторами, установленными с обоих торцов сцинтиллятора;

- Разработана конструкция и технология изготовления одиночных детекторов и модулей на их основе. Разработаны методики и оборудование для контроля основных параметров и испытаний одноканальных детекторов и детектирующего канала в целом;

- Разработана методика создания сцинтилляционной матрицы Ь80 с высоким световыходом;

- На основе 16-канальных фотоумножителей Натат^и и многоканальных рт-фотодиодов изготовлены 2 прототипа ГТЧД-детекторов и проведены их испытания на пучках у-квантов. Определены временное, энергетическое и пространственное разрешения детекторов;

- С использованием элементов «Пельтье» разработана недорогая конструкция и технология изготовления автономной детектирующей секции с системой охлаждения и термостабилизации;

116

Для обеспечения оперативного доступа к результатам работ, а также к их обновлению было создано централизованное хранилище на бесплатном Интернет-сервисе. Разработано ядро (®8Р01ЛЬ) программного обеспечения для сбора и анализа информации, получаемой от ПЧД;

Полученные результаты измерений свойств современных лавинных фотодиодов подтверждают возможность создания нового, более совершенного полупроводникового детектора для задач томографии. Детекторы обладают хорошей квантовой эффективностью (до 60%), высоким внут

- п ренним усилением заряда (10 ч- 10 ), низкой стоимостью некоторых моделей (~ 100 $/канал).

Благодарности

Эта диссертация никогда не была бы написана без помощи и поддержки многих людей. Первый из них, которому я хотел бы выразить свою искреннюю благодарность, - доктор физико-математических наук, профессор кафедры медицинской физики МИФИ Беляев Владимир Никитич.

Огромное спасибо мои коллегам по кафедре: Штоцкому Ю., Дубову JL, Вишневской Е. за ценные советы и плодотворные комментарии к данной работе.

Также хочу выразить благодарность доктору физико-математических наук, профессору института кристаллографии имени А. В. Шубникова РАН Рухадзе В., который всегда находил время для того, чтобы ответить на все вопросы по сцинтилляционным кристаллам и дать важные советы.

Сотрудничество с кафедрой биофизики МГУ позволило наладить полезное сотрудничество по некоторым важным задачам проекта. Высокая квалификация коллектива кафедры и её отдельных сотрудников позволили оперативно решать возникающие проблемы.

Отдельное спасибо за предоставленные образцы кристаллов LSO, LYSO и помощь в их изучении профессору, руководителю Научно-технологического Центра физической кристаллографии Академии Наук Грузии Намталишвили М.

Неоценимые консультации были предоставлены профессором кафедры радиологии, директором ПЭТ-центра, вице-президентом научно-исследовательского института Айовы Richard D. Hichwa.

Искренняя благодарность за эффективную техническую помощь и за любезную возможность использования модулей электроники исследовательскому центру RCAST (Япония).

Бондаренко Г. - первый мой научный руководитель, который заложил основы моей научной деятельности. Также хочу выразить свою благодарность на

Заключение

Приведённые в работе исследования продемонстрировали возможность создания современного позиционно-чувствительного детектора с измерением глубины поглощения у-квантов 511 кэВ в объёме сцинтиллятора. Ключевые результаты исследований ( Na, Еу = 511 кэВ):

- Временное разрешение детектора: 600 пс;

- Пространственное разрешение (RaxRtxRr): 4х4х 10 мм;

- Энергетическое разрешение: 12%;

- Стоимость опытного экземпляра: 20 ООО $.

Межкристальное комптоновское рассеяние, внутренняя радиоактивность сцинтилляторов и оптическая связь фотодетектора не влияют существенно на основные характеристики детектора. Для увеличения световыхода и уменьшения доли рассеянного излучения был разработан технологический процесс изготовления тонких светоотражающих многослойных пластин. Процесс оказался вполне приемлемым с точки зрения технологичности, стоимости и времени изготовления.

Высокие требования к результатам проводимых экспериментов обуславливали применение самой современной электроники и программного обеспечения с распараллеленной модульной (SOA) архитектурой считывания и анализа больших объёмов информации.

Использование методики измерения глубины поглощения у-квантов, а также последующая идентификация и реконструкция рассеянных у-квантов 511 кэВ в объёме сцинтиллятора являются многообещающими направлениями на пути улучшения пространственного разрешения ПЭТ.

1. Sterling, J. Technician's Guide to Fiber Opties, 1998.

2. Farell, R. et al., NIM, A387 (1997), 194.

3. Okumura, S. et al., NIM, A388 (1997), 235.

4. New Development in Photodetection for particle Physics and Nuclear Physics, Beaune, 1999.

5. Taran, I. et al., NIM, A388 (1997), 79.

6. С. L. Melcher and J. S. Schweitzer. Cerium-doped lutetium orthosilicate: A fast, efficient new scintillator. IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. NS-39, pp. 502, 1992.

7. P. M. Bloomfield, S. Rajeswaran, et al. The design and physical characteristics of a small animal positron emission tomograph. Phys. Med. Biol., vol. 40, pp. 1105, 1995.

8. S. С Strother, M. E. Casey, et al. Measuring PET-Scanner Sensitivity: Relating Countrates to Image Signal-to-Noise Ratios using Noise Equivalent Counts. IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. NS-37, pp. 783, 1990.

9. R. Lecomte, J. Cadorette, et al. Initial results from the Sherbrooke avalanche photodiode positron tomograph. IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. NS-43, pp. 1952, 1996.

10. W. F. Jones, J. H. Reed, et al. Next Generation PET Data Acquisition Architectures. IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. NS-44, pp. 1202, 1997.

11. A. Del Guerra, F. de Notaristefani, et al. Use of a YAP:Ce matrix coupled to a position-sensitive photomultiplier for high resolution positron emission tomography. IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. NS-43, pp. 1958, 1996.

12. P. R. G. Virador, W. W. Moses, et al. Reconstruction in PET-Cameras with Irregular Sampling and Depth of Interaction Capability. IEEE Trans. Nucl. Sei., vol. NS-45, pp. 1225, 1998.

13. S. R. Cherry, Y. Shao, et al. MicroPET: A High Resolution PET-Scanner for Imaging Small Animals. IEEE Trans. Nucl. Sei., vol. NS-44, pp. 1161, 1997.

14. M. Watanabe, H. Okada, et al. A High Resolution Animal PET-Scanner Using Compact PS-PMT Detectors. IEEE Trans. Nucl. Sei., vol. NS-44, pp. 1277,1997.

15. J. S. Huber, W.W. Moses, et al. Calibration of a PET-Detector Module that Measures Depth of Interaction. IEEE Trans. Nucl. Sei., vol. NS-45, pp. 1268,1998.

16. O. Fries, S. M. Bradbury, et al. A small animal PET-prototype based on LSO crystals read out by avalanche photodiodes. Nucl. Instrum. and Meth. A, vol. 387, pp. 220, 1997.

17. Society of Nuclear Imaging in Drug Development, Symposium on the Use of Imaging in Drug R&D, Bethesda, MD, Sept. 11 13, 1998. Conference Proceedings J. Clin. Pharm., in press.

18. S. Weber, A. Terstegge, et al. The Design of an Animal PET: Flexible Geometry for Achieving Optimal Spatial Resolution or High Sensitivity. IEEE Trans. Med. Imaging., vol. 16, pp. 684, 1997.

19. S. P. Hume and T. Jones. Pharmacological constraints associated with positron emission tomographic scanning of small laboratory animals. Eur J Nucl Med, vol. 25, pp. 173, 1998.

20. Phelps M. E., J. C. Mazziotta and S. C. Huang. Study of cerebral function with Positron Computed Tomography. J. Cerebral Blood Flow and Metabolism, 2(2): 113-162, 1982.

21. Phelps M. E., and S. R. Cherry. The changing design of positron imaging systems. Clin. Pos. Imag., 1(1): 31-45, 1998.

22. Photonics, Philips. XP1911 data sheet. Philips, 1994.

23. Photonics, Philips. Photomultiplier tubes principles & applications. Philips, 2002.

24. Pietrzyk U., K. Herholz, A. Schuster, H. M. v. Stockhausen, H. Lucht, and W. D. Heiss. Clinical applications of registration and fusion of multimodality brain images from PET, SPECT, CT and MRI. Eur. J. Radiol., 21: 174 182, 1996.

25. Plein, S., and M. Sivananthan. The role of positron emission tomography in cardiology. Radiography, 7: 11 20, 2001.

26. Puterbaugh, K. Private communication, 2003.

27. Regulla, D., J. Griebel, D. Noilke, B. Bauer, and G. Brix. Erfassung und Bewertung der Patientenexposition in der diagnostischen Radiologic und Nuklearmedizin. Z. Med. Phys., 13: 127 135,2003.

28. Rogers, J. G. A method for correcting the depth-of-interaction blurring in PET-cameras. IEEE Trans. Med. Imag., 14(1): 146 150, 1995.

29. Rogers, J. G., C. Moisan, E. M. Hoskinson, M. S. Andreaco, C. W. Williams, and R. Nutt. A practical block detector for a depth-encoding PET-camera. IEEE Trans. Nucl. Sci., 43 (6): 3240 3248, 1996.

30. Rogers, J. G., and C. J. Batty. Afterglow in LSO and its possible effect on energy resolution. IEEE Trans. Nucl. Sci., 47(2): 438 445, 2000.

31. Rohrlich, F., and В. C. Carlson. Positron-electron differences in energy loss and multiple scattering. Phys. Rev., 93(1): 38-44, 1954.

32. Rokitta, О., M. Casey, K. Wienhard, and U. Pietrzyk. Random correction for positron emission tomography using singles count rates. IEEE Med. Imag. Conf. Rec., Lyon, 2000.

33. Schmand, M. Untersuchungen zur Streustrahlenkorrektur bei 3D Volumenmessungen in einem GanzkEorper Positronen-EmissionsTomographen. Master's thesis, RWTH Aachen, 1995.

34. Schmand, M. Higher Resolution PET (Positron Emission Tomography) by means of a new scintillator LSO (lutetium oxyorthosilicate:Ce). Thesis, RWTH Aachen, 1999.

35. Schmidlin, P., M. E. Bellemann, and G. Brix. Iterative reconstruction of PET images using a high-overrelaxation single-projection algorithm. Phys. Med. Biol., 42: 569 582, 1997.

36. Seidel, J., W. R. Gandler, and M. V. Green. Characteristics of a pair of small field-of-view LSO scintillation cameras. IEEE Trans. Nucl. Sci., 43(3): 1968 -1973, 1996.

37. Seidel, J., J. J. Vaquero, S. Siegel, W. R. Gandler, and M. V. Green. Depth identification accuracy of a three layer phoswich PET detector module. IEEE Trans. Nucl. Sci., 46(3): 485 490, 1999.

38. Shao, Y., and S. R. Cherry. A study of depth of interaction measurement using bent optical fibers. IEEE Trans. Nucl. Sci., 46(3): 618 623, 1999.

39. Shepp, L. A., and Y. Vardi. Maximum likelihood reconstruction for emission tomography. IEEE Trans. Med. Imag., MI-1(2): 113 122, 1982.

40. Smith, R. J., and J. S. Karp. A practical method of randoms substraction in volume imaging PET from detector singles countrate measurements. IEEE Trans. Nucl. Sci., 43(3): 1981 1987,1996.

41. Spinks, T. J., M. P. Miller, D. L. Bailey, P. M. Bloomfield, L. Livieratos, and T. Jones. The effect of activity outside the direct field of view in a 3D-only whole-body positron tomograph. Phys. Med. Biol., 43: 895 904, 1998.

42. StEoklin, G., and V. W. Pike. Radiopharmaceuticals for positron emission tomography methodological aspects. Kluwer Academic Publishers, 1993.

43. Strauss, L. G., and P. S. Conti. The applications of PET in clinical oncology. J. Nucl. Med., 32(4): 623 648, 1991.

44. Strother, S. C., M. E. Casey, and E. J. Hoffman. Measuring PET-scanner sensitivity: relating countrates to image signal-to-noise ratios using noise equivalent counts. IEEE Trans. Nucl. Sci, 37(2): 783 788, 1990.

45. Sunderland, J. J, R. J. Nickles, and S. G. Burgiss. Acceptance testing of the CTI 933/04 ECAT scanner. J. Nucl. Med, 29(5): 880, 1988.

46. Suzuki, H, T. A. Tombrello, C. L. Melcher, and J. S. Schweitzer. UV- and gamma-ray excited luminescense of cerium-doped rare-earth oxyorthosilicates. Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A, 320: 263 272, 1992.

47. Suzuki, H, T. A. Tombrello, C. L. Melcher, and J. S. Schweitzer. Light emission mechanism of Lu2(Si04)0:Ce. IEEE Trans. Nucl. Sci, 40(4): 380 -383, 1993.

48. Takagi, K., and T. Fukazawa. Cerium-activated Gd2Si05 single crystal scintillator. Appl. Phys. Lett., 42(1): 43-45, 1983.

49. Ter-Pogossian, M. M., M. E. Phelps, E. J. Hoffman, and N. A. Mullani. A positron-emission transaxial tomograph for nuclear imaging (PETT). Radiology., 114: 89-98, 1975.

50. Ter-Pogossian, M. M., D. C. Ficke, J. T. Hood, Sr., M. Yamamoto, and N. A. Mullani. PETT VI: A positron emission tomograph utilizing cesium fluoride scintillation detectors. J. Comput. Assist. Tomogr., 6(1): 125 133, 1982.

51. Tewson, T. J., and K. A. Krohn. PET radiopharmaceuticals: state-of-the-art and future projects. Sem. Nucl. Med, 28(3): 221 -234, 1998.

52. Townsend, D. W., Y. Choi, D. Sashin, and M. Mintun. An investigation of practical scatter correction techniques for 3D PET. J. Nucl. Med., 35(5): 50P, 1994.

53. Vaigneur, K. Patient handling bed for neurological imaging. Preliminary specifications. Agile Engineering, 123 Perimeter Park Road, Suite E, Knoxville/TN 37922, 2003.

54. Valk, P. E., D. L. Bailey, D. W. Townsend, and M. N. Maisey. Positron emission tomography: basic science and clinical practice. Springer-Verlag, Berlin, 2003.

55. Visser, R., C. L. Melcher, and J. S. Schweitzer. Photostimulated luminescence and thermoluminescence of LSO scintillators. IEEE Trans. Nucl. Sci., 41(4): 689-693, 1994.

56. Vollmar, S. Private communication, 2001.

57. Vollmar, S., C. Michel, J. T. Treffert, D. F. Newport, M. Casey, C. KnEoss, K. Wienhard, X. Liu, M. Defrise, and W. D. Heiss. HeinzelCluster: acceleratedreconstruction for FORE and OSEM3D. Phys. Med. Biol., 47: 2651 2658, 2002.

58. Weber, M. J., and R. R. Monchamp. Luminiscence of Bi4Ge30i2: Spectral and decay properties. Journ. Appl. Phys., 44(12): 5495 5499, 1973.

59. Wienhard, K., L. Eriksson, S. Grootoonk, M. Casey, U. Pietrzyk, and W. D. Heiss. Performance evaluation of the positron scanner ECAT EXACT. J. Comput. Assist. Tomogr., 16(5): 804 813,1992.

60. Wienhard, K., M. Dahlbom, L. Eriksson, C. Michel, T. Bruckbauer, U. Pietrzyk, and W. D. Heiss. The ECAT EXACT HR: Performance of a new high resolution positron scanner. J. Comput. Assist. Tomogr., 18(1): 110-118, 1994.

61. Williams, C. W., M. C. Crabtree, and C. G. Burgiss. Design and performance characteristics of a positron emission computed axial tomograph ECAT-II. IEEE Trans. Nucl. Sci., 26(1): 619 - 627, 1979.

62. Microsoft. WindowsNT. http://www.microsoft.com/ ntworkstation/ Productlnformation/ default.asp. 2003.

63. Microsoft. Windows 2000.http://www.microsoft.com/windows2000/default.asp, 2003.

64. Wong, W. H. A positron camera detector design with cross-coupled scintillators and quadrant sharing photomultipliers. IEEE Trans. Nucl. Sci., 40(4): 962 966, 1993.

65. Wong, W. H., J. Uribe, K. Hicks, and M. Zambelli. A 2-dimensional detector decoding study on BGO arrays with quadrant sharing photomultipliers. IEEE Trans. Nucl. Sci., 41(4): 1453 1457, 1994.

66. Wong, W. H., J. Uribe, K. Hicks, and G. Hu. An analog decoding BGO block detector using circular photomultipliers. IEEE Trans. Nucl. Sci., 42(4): 1095 -1101,1995.

67. Xu, E. Z., N. A. Mullani, K. L. Gould, and W. L. Anderson. A segmented attenuation correction for PET. J. Nucl. Med., 32(1): 161 165, 1991.

68. Yamashita, Т., M. Watanabe, K. Shimizu, and H. Uchida. High resolution block detectors for PET. IEEE Trans. Nucl. Sci., 37(2): 589 593, 1990.

69. Yamamoto, S., and H. Ishibashi. A GSO depth of interaction detector for PET. IEEE Trans. Nucl. Sci., 45(3): 1078 1082, 1998.

70. Young, J. W., J. C. Moyers, and M. Lenox. FPGA based front-end electronics for a high resolution PET-scanner. IEEE Trans. Nucl. Sci., 47(4): 1676 1680, 2000.

71. Yu, S. K., and C. Nahmias. Single-photon transmission measurements in positron tomography using 137Cs. Phys. Med. Biol., 40(7): 1255 1266, 1995,82. http://radcenter 1 .narod.ru/tom.htm.

72. Российско-американская программа «Инициатива «Атомные города», http://www.nnsa.doe.gov/na%2D20/nci/.

73. Федеральная целевая программа «Медицина высоких технологий» от 25 ноября 1998 г. № 1391, http://www.med-pravo.ru.

74. Iacoboni М. Emission tomography contribution to clinical neurology. Clinical Neurophysiology, 110: 2 23, 1999.

75. Stoklin, G., and V. W. Pike. Radiopharmaceuticals for positron emission tomography methodological aspects. Kluwer Academic Publishers, 1993.87. http://www.ufn.ru.

76. Гольданский В. И. Физическая химия позитрона и позитрония. М., Наука, 1968.

77. Cho, Z. H, J. К. Chan, L. Ericksson, M. Singh, S. Graham, N. S. MacDonald, and Y. Yano. Positron ranges obtained from biomedically important positron emitting radionuclides. J.Nucl. Med, 16(12): 1174-1176, 1975.90. http://www.slac.stanford.edu/egs/.

78. Berko, S, and F. L. Hereford. Experimental studies of positron interactions in solids and liquids. Rev. Mod. Phys, 28(3): 299-307, 1956.

79. DeBenedetti, S, С. E. Cowan, W. R. Konneker and H. Primakoff. On the angular distribution of two-photon annihilation radiation. Physical Review, 77(2): 205-212, 1950.

80. Bergstr'om, M. Determination of object contour from projections for attenuation correction in cranial positron emission tomography. J. Comput. Assist. Tomogr, 6(2): 365-372, 1982.

81. Wienhard, K. Performance evaluation of the positron scanner ECAT EXACT. J. Comput. Assist. Tomogr, 16(5): 804 813,1992.

82. Eriksson L. NEMA count-rate evaluation of the first and second generation of the ECAT EXACT and ECAT EXACT HR family of scanners. IEEE Trans. Nucl. Sci, 49(3): 640 643,2002.

83. CTI documentation. ECAT software operating instructions, version 7.1.

84. Разработка и создание ПЭТ-центра для медико-биологических исследований. НПЦ «ПОЗИТОМ» ФГУП ГНЦ РФ ИТЭФ.

85. Melcher, С. L, and J. S. Schweitzer. A promising new scintillator: ceriumdoped lutetium oxyorthosilicate. Nucl. In-strum. Meth. Phys. Res. A, 314: 212 214, 1992.

86. Photonic Materials / CERN6 Mallard Way, Strathclyde Business Park, Bellshill, ML4 3BF, UKTel: +44 (0)1698 573 810 Fax: +44 (0)1698 573 811.

87. William W. Moses, Lawrence Berkeley National Laboratory, March 26, 2002.101. 301800 Russia, Tula region, Bogoroditsk.102. 10-th International Conference on Calorimetry.103. 4750 Magnolia St. Port Townsend, WA 98368. www.mkt-intl.com.

88. Научно-технологический Центр физической кристаллографии Академии Наук Грузии.105. http://www.newport.com.

89. High-resolution PET-detector design: modelling components of intrinsic spatial resolution, University of California Postprints, Year 2005 Paper 651.107. ssd-rd.web.cern.ch.

90. Y. Shao et al. Dual APD array readout of LSO crystals: optimization of crystal surface treatment. IEEE Trans. Nucl. Sei. 49 (2002) 649.

91. Отчёт об опытно-конструкторской работе «Создание многоканального двухкоординатного позиционно-чувствительного детектора рентгеновских фотонов». МИФИ, 2002.

92. Brownell, Strother, Surti (Brownell et al 1979, Strother et al 1990, Surti et al 2003).

93. Budinger 1983, Surti et al 2003.

94. Monte Carlo Simulation of a Position Sensitive Gamma Ray Detector, Brazilian Journal of Physics, vol. 35, no. 3B, September, 2005.

95. Max-Planck Institute for Neurological Research in Cologne, Germany.

96. Diplom-Physiker Christof Kn'oß, Universit'atsprofessor Dr. rer. nat. G'unter Fl'ugge, Professor Dr. rer. nat. Klaus Wienhard, Tag der mündlichen Pr"ufung: 27, Juli 2004.

97. Potential for RbGd2Br7:Ce, LaBr3:Ce, LaBr3:Ce, and LuI3:Ce in nuclear medical imaging William W. Moses, Kanai S. Shah Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A 537 (2005): 317 320.

98. Evaluation of scintillator afterglow for use in a combined optical and PET imaging tomograph Ali Douraghy, David L. Prout, Robert W. Silverman, Arion