Projekti / Programi
Napredni detektor za pozitronsko tomografijo z meritvijo časa preleta
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.06.09 |
Tehnika |
Sistemi in kibernetika |
Medicinska fizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| B140 |
Biomedicinske vede |
Klinična fizika, radiologija, tomografija, medicinska instrumentacija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.06 |
Tehniške in tehnološke vede |
Zdravstveni inženiring |
pozitronska tomografija, meritev časa preleta, pikosekundni detektor svetlobe, MCP-PMT, SiPM,
sevanje Čerenkova
Raziskovalci (10)
Organizacije (2)
Povzetek
Slikanje s pozitronsko tomografijo (positron emission tomography, PET) je eno od pomembnih diagnostičnih orodij v medicini, ki omogoča tridimenzionalno slikanje funkcijskih procesov v telesu preko detekcije parov koincidenčnih kolinearnih žarkov gama energije 511 keV. Standardne naprave PET imajo aksialno dolžino okrog 20 cm in izkoristijo le del aktivnosti v telesu. Ta delež lahko povečamo tako, da podaljšamo aksialno dolžino naprave, kar je povezano z znatnim povečanjem njene cene, ki jo v veliki meri določa cena scintilatorja, kjer se žarki gama absorbirajo. Naprave za slikanje celotnega telesa so ena izmed najbolj vročih smeri razvoja funkcionalnega in molekularnega slikanja.
Kontrast lahko izboljšamo tudi tako, da zmanjšamo ozadje meritve, ki ga večinsko sestavljajo naključne koincidence in dogodki, kjer se žarek gama siplje v tkivu, v posebni vrsti naprav PET, ki merijo tudi čas preleta žarkov gama (TOF-PET, Time-Of-Flight PET). Njihova natančnost je med 250 ps in 400 ps, kar že lahko znatno izboljša kontrast pri slikanju velikih objektov. Ena od pomembnih omejitev pri nadaljnjem izboljšanju te ločljivosti je časovni potek izsevane svetlobe scintilatorja. Iskanje novih materialov in mehanizmov izsevanja svetlobe je druga smer intenzivnega razvoja na področju slikanja PET.
Namen predlaganega projekta je razviti modul za detekcijo anihilacijskih žarkov gama, ki bo omogočal meritev razlike časov preleta v napravi TOF-PET z natančnostjo okrog 100 ps ali bolje. To lahko dosežemo z zaznavanjem svetlobe Čerenkova, ki nastane promptno pri interakciji žarkov gama v detektorju. Svinčev fluorid (PbF2), ki je primeren sevalec za tak detektor, je tudi potencialno cenejši, saj ni scintilator, kar je interesantno tudi za naprave za slikanje celotnega telesa. Poleg tega ima manjšo atenuacijsko dolžino za žarke gama, kar pomeni, da so kristali lahko krajši, to pa vodi do zmanjšanja napake zaradi paralakse, kar je prav tako posebej pomembno pri daljši skenerjih, napravah za slikanje celotnega telesa.
Preliminarna študija, ki smo jo izvedli skupaj z raziskovalnimi skupinami iz več prestižnih evropskih univerz in v sodelovanju z industrijo, je pokazala, da bi enako velik PET skener standardne velikosti s svinčevim fluoridom imel za 20% boljšo krajevno ločljivost kot standardna aparatura s scintilatorji. Občutljivost naprave bi bila sicer nekoliko manjša, bi pa bila popravljena pogostost dogodkov (NEC, noise equivalent count rate), z upoštevanjem TOF resolucije enake ali boljše od 200 ps, boljša kot v standardnem PET skenerju. Simulacijska študija je tudi pokazala, da je zaradi manjše atenuacijske dolžine (in posledično krajših kristalov in manjše napake zaradi paralakse) detektorski modul s PbF2 tudi zelo obetaven za 1m dolg skener.
Naša pionirska eksperimentalna študija, ki je naletela na znaten odmev v strokovni javnosti, je pokazala, da je tak tip detektorja izvedljiv in je dejansko zelo hiter. Z uporabo kristala PbF2 in fotopomnoževalk z mikrokanalnimi ploščicami (MCP-PMT, Micro-Channel-Plate photomultiplier tube) smo pokazali, da je lahko časovna ločljivost takega detektorja boljša od 100 ps (FWHM). Za uporabo te metode v napravi PET je potrebno izboljšati učinkovitost zaznavanja, saj se izseva relativno malo fotonov Čerenkova. Potrebujemo torej senzor fotonov z visoko občutljivostjo in dobro časovno ločljivostjo pri zaznavanju posameznih fotonov. Silicijeva fotopomnoževalka (SiPM) ima precej boljši izkoristek detekcije, a zaenkrat slabšo časovno ločljivost in relativno veliko število šumnih sunkov, kar zahteva hlajenje senzorja.
V okviru predlaganega projekta bomo razvili detektorski modul osnovan na silicijevih fotopomnoževalkah, ki bi lahko deloval v magnetnem polju (pomembno za sočasno MRI-PET
slikanje) in ki bi zaradi manjše cene in krajših kristalov omogočal slikanje z daljšo napravo in
z manjšo dozo za pacienta.
Pomen za razvoj znanosti
Obstoječe naprave za slikanje s PET temeljijo na zaznavanju žarkov gama preko scintilacijske svetlobe, kar omejuje časovno ločljivost sistema. Izvirnost našega pristopa je uporaba svetlobe Čerenkova, ki je izsevana praktično brez zakasnitve ob interakciji žarka gama v detektorju. Po naših prvih objavah na to temo je postalo PET slikanje z uporaba sevanja Čerenkova vroča tema in stalna tema na konferencah in delavnicah na temo medicinskega slikanja s PET (npr. MEDAMI Ajaccio, 2016, FAST Workshop, Trento, 2016 in Ljubljana 2018 itd). Gre torej za novo metodo, pri vpeljavi katere igra naša skupina vodilno vlogo, s predlaganim projektom pa bi se ta še dodatno utrdila.
Že naša prva meritev s TOF-PET postavitvijo, v kateri smo uporabili sevanje Čerenkova in dosegli rekordno resolucijo v času preleta, je naletela na izjemen odmev, saj je bila na eni od osrednjih konferenc tega področja (IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference) leta 2011 predstavljena v najbolj prestižni sekciji. Od tedaj so naše raziskave na tem področju deležne velike pozornosti.
V zadnjih letih smo opazili še povečan interes znanstvene skupnosti za uporabo svetlobe Čerenkova v PET. Trenutno samo v Evropi trenutno detektorje za TOF-PET, ki temeljijo na zaznavanju svetlobe Čerenkova, raziskujejo še vsaj tri skupine (v CERN, Švica; CEA, Francija; TU Delft, Nizozemska). Po mnogih kliničnih demonstracijah koristi meritve časa preleta v PET so vedno glasnejše želje uporabnikov po še izboljšani ločljivosti. Ker na področju razvoja boljših scintilatorjev po več desetletjih raziskav še ni prišlo do pravega odkritja, se pozornost raziskovalne skupnosti vedno bolj usmerja na alternativne metode za izboljšanje ločljivosti, kot je uporaba sevanje Čerenkova.
Detekcijska metoda, ki smo jo prvi razvili v naši skupini in uporabo katere predlagamo v predstavljenem projektu, ne prinaša le prednosti močno izboljšane časovne ločljivosti, temveč tudi nižje cene materialov, potrebnih za izdelavo naprave PET. Namesto scintilatorjev, ki predstavljajo velik delež cene celotne naprave, bi uporabili sevalec Čerenkova, kristal svinčevega fluorida, ki bo v primeru proizvodnje v velikih količinah občutno cenejši od trenutno najpopularnejšega scintilatorja, kristala LSO. To bi omogočilo izdelavo daljših, npr. 1m dolgih naprav, s tem pa slikanje celega ali vsaj večine telesa hkrati. To bi odprlo možnosti novih raziskav na področju medicine, kot npr. boljše razumevanje kompleksnega vpliva prebavil na hormonsko ravnovesje in centralni živčni sistema.
Pomen za razvoj Slovenije
Existing devices for Time-of-flight PET (TOF-PET) imaging are based on the detection of gamma rays through the scintillation light, which limits the timing resolution of the system. The originality of our approach is the use of Cherenkov light, emitted promptly after the interaction of the gamma ray in the detector material. After our first publication on the promising results achieved with this new method, this topic has become a hot topic in TOFPET imaging, and an important discussion topic at conferences and workshops on PET imaging (e.g., MEDAMI 2016, Ajaccio, 2016, FAST Workshop, Trento, 2016 and Ljubljana 2018, etc.). In this new research area our group has been playing a leading role, which could be further strengthened with the proposed project.
With our first measurements using a Cherenkov based TOF-PET method, we managed to attract
considerable attention in the scientific community; the first presentation at one of the main conferences in this field (IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference) in 2011, was in the most prestigious section, the joint session of the simultaneous conferences, Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference. Since then, our research in this area has continued to attract a constant attention.
An increased interest of the scientific community in the use of Cherenkov light for PET imaging has been observed in the recent years. Only in Europe there are at least three other groups (groups from CERN, Switzerland; CEA, France; TU Delft, Netherlands) currently perusing research of Cherenkov based TOF-PET detectors. After many clinical trials demonstrating the benefits of TOF measurement in PET the demands from the users for an improved resolution are increasing. Since there has been no breakthrough relating to the development of improved scintillators, the attention of the research community is becoming increasingly focused on alternative methods of improving the TOF resolution, such as the use of Cherenkov light.
The detection method first developed by our group and the use of which is foreseen for the proposed research project does not only bring the benefits in terms of an improved TOF resolution, but also enables the use of lower cost of materials, necessary for construction of the whole PET device. Instead of scintillators, which represent a major fraction of the cost for the whole device, we would use a lead fluoride Cherenkov radiator crystal, which will be significantly less expensive than currently used LSO scintillator, especially in case of a large volume production. This would enable production of longer devices with at least 1m axial coverage, and with this, simultaneous imaging of the whole or at least a majority of the body. With this, new medical research, such as the complex influence that the digestive tract has on the hormones and the central nervous system, would become possible.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
