Fizikai Tudományok Doktori Iskola

BME TTK, Atomfizika Tanszék/Fizikai Intézet

Témavezető: Dr. Lőrincz Emőke

Pozitronemissziós tomográf detektormoduljának fejlesztése  

A kutatási téma néhány soros bemutatása

Napjaink egyik legdinamikusabban fejlődő interdiszciplináris tudományterülete az orvosi fizika, s ezen belül az orvosi képalkotás, mely két alapvető csoportra osztható: a topográfiai és a funkcionális módszerekre. A funkcionális képalkotás egyik legkorszerűbb eljárása a pozitronemissziós tomográfia (PET), melyet a rákkutatásban, -diagnosztikában és a gyógyszerfejlesztésben egyaránt széles körben alkalmaznak.

PhD munkám keretében egy PET készülék fejlesztésében veszek részt; egy nemzetközi szinten is intenzíven kutatott témával, a PET készülékek képminőségének javításával, felbontóképességének növelésével foglalkozom.

A kutatóhely rövid bemutatása

Doktori munkámat a BME Atomfizika Tanszékének Optika Laboratóriumában végzem. A Tanszék a legkülönbözőbb, optikához kapcsolódó tudományterületen végez alap- és alkalmazott kutatást. Ipari partnerekkel folytatott kutatási együttműködések során sok esetben egy berendezés kifejlesztése a cél. Az orvosi képalkotó diagnosztika területén 2006 óta folyik együttműködés az orvosi képalkotó berendezéseket fejlesztő és gyártó Mediso Kft-vel. A tanszéki kutatócsoport elsősorban az optikai tervezésben és optikai rendszerépítésben vesz részt, mellyel hozzájárult a humán vizsgálatokra alkalmas PET készülék kifejlesztéséhez. A kutatásokból több szakdolgozat, diplomamunka, sikeres TDK is született.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

A pozitronemissziós tomográfia olyan orvosi képalkotási eljárás, mellyel metabolikusan aktív sejtek helyét lehet meghatározni a szervezetben. A vizsgálat során a páciens szervezetébe rövid felezési idejű pozitronbomló izotóppal megjelölt molekulát juttatnak (jellemzően ¹²F-vel megjelölt glükózt), mely a testben ott dúsul fel, ahol az adott vegyület felvétele nagy. A pácienst ezután a hengeres PET készülékbe fektetik, melynek palástját radioaktív sugárzás érzékelésére alkalmas detektor modulok borítják. A szervezetben bekövetkező radioaktív bomlást követően a keletkező pozitron annihilálódik, és két darab radioaktív részecske (gamma-foton) indul el a bomlás helyéről, egymással közel 180°-os szöget bezáró irányban. A pácienst körülvevő detektorok e két fotont elnyelik; a detektálás helyéből határozható meg az az egyenes, melyen a bomlás történt. A vizsgálat során nyert egyenesek adataiból számítógépes algoritmusok segítségével történik a kép rekonstruálása.

PET készülék felépítése, valamint az a berendezés, melynek fejlesztésében részt veszünk

A sugárzás térbeli detektálására kisméretű (tipikusan 4x4x20 mm³-es) szcintillátor kristályokból készített, nagyságrendileg 1000 elemből álló mátrixokat használnak. A kristályok a radioaktív sugárzást elnyelve gerjesztődnek, majd UV/látható fény emittálásával relaxálódnak, ezt a folyamatot nevezzük szcintillációnak. A kristály által kibocsátott fényt fotodetektorok – jellemzően fotoelektron-sokszorozók (PMT) – segítségével detektálják. A modulokba magas áruk miatt lényegesen kevesebb detektort építenek be, mint ahány kristály van bennük. A térbeli felbontást úgy érik el, hogy a kristályok és a fotodetektorok közé fényvezető réteget helyeznek, mely a kristályból kilépő fényt több PMT között szétosztja, majd a különböző detektorokra jutó fotonok számából határozzák meg, hogy melyik kristályban történt a szcintilláció [1]–[5].

A detektormodul felépítése és a gerjesztett kristályból kilépő fény szétosztása több PMT-re

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

Kutatásom célja a PET detektormodul képalkotásának javítása, a térbeli felbontás növelése. A témához kapcsolódóan elsősorban kísérleti és szimulációs munkát végzek.

A korábban vázolt, fényosztásos elvű detektálás egyik nagy hátránya, hogy bizonyos kristályok (jellemzően a modul széle felé esők) a detektorjelek alapján nem különböztethetők meg egymástól, vagyis nem tudjuk megmondani, hogy melyik kristályban történt a szcintilláció, ezáltal a rekonstruált kép minősége romlik. A probléma kiküszöbölésére az irodalomban rendszerint a pozíciószámítási algoritmus pontosításával próbálnak megoldást nyújtani, azonban legtöbbször ez sem ad kielégítő eredményt. Célom egy olyan, optikai elven működő módszer kidolgozása volt, mely segítségével az egy szcintillációból származó fotonok eloszlását az egyes fotodetektorokon módosítani lehet. Az eloszlást az egyes kristálypozíciókra optimalizáltan módosítva a korábban megkülönböztethetetlen kristályok felbonthatóvá válnak.

A mátrixot alkotó kristályok pozíciói a detektorképen. A fekete körök a PMT-k helyét jelölik.
Cél a szélső, felbonthatatlan kristályok képének elkülönítése.

Mivel a PMT-ken kívül a kristályok is igen drágák, a technológiai kísérletek költségeinek csökkentése érdekében szükséges volt egy kísérletileg ellenőrzött számítógépes modell megalkotása is, mellyel a detektálási folyamat – különös tekintettel az optikai fényterjedésre – megbízhatóan szimulálható. 

A szcintillátoranyagok optikai tulajdonságai alapvetően befolyásolják a detektor modul térbeli felbontását, így ezen paraméterek pontos ismerete, kísérleti úton történő meghatározása, valamint a számítógépes modellbe történő beépítése szintén fontos célkitűzései munkámnak.

Módszerek és eddigi eredmények

Megbízható számítógépes modell megalkotása

Egy ilyen komplex berendezés fejlesztése, optimalizálása legtöbbször tapasztalati úton történik, mivel maga a detektálási folyamat igen összetett, amelynek leírásához sokféle tudományterület (nukleáris fizika, optika, optoelektronika) egyesítése szükséges. Célom egy, a lehető legtöbb fizikai effektust magába foglaló modell megalkotása volt számítógépes szimuláció segítségével, amihez a detektálási folyamat hátterében álló fizikai jelenségeket elméleti és kísérleti úton megvizsgáltam.

A detektormodul fejlesztéséhez szükséges számítógépes modellt két szimulációs eszköz segítségével is felépítettem: egyrészt az irodalomban széles körben használt, de kísérletileg korábban nem ellenőrzött programcsomag [6], másrészt egy, a tanszéki kutatócsoport által korábban már validált optikai tervező szoftver használatával [S1],[S2]. A modellekben Monte Carlo módszerekkel szimuláljuk a fényterjedést: az optikai effektusok (abszorpció, reflexió, stb.) figyelembe vétele valószínűségi alapon történik. 

A modell ellenőrzéséhez méréseket végeztem egyszerű, egyetlen kristályt és egy detektort tartalmazó összeállításokkal. A mérések és a korábban már hitelesített szimulációk eredményét felhasználva meg tudtam határozni azokat a kritikus optikai paramétereket, melyek ismerete és a modellbe történő beépítése annak helyességéhez feltétlenül szükséges. Ezek segítségével a modellt kísérleti úton sikerült hitelesíteni [S3]–[S6].

Fontosabb spektrális jellemzők

A térbeli felbontás növelése

A térbeli felbontás növelésére strukturált fényvezető réteg kialakítását javasoltuk, melynek működési elve a következő: a kristályok fényvezető felé eső végeihez egy prizmapárt illesztünk, melyeket egy kicsiny légrés választ el egymástól. A légrésnél a teljes visszaverődés határszögénél nagyobb beesési szöggel érkező fotonok visszaverődnek, így a prizmapár második elemében csak egy (fény)kúpon belül terjednek fotonok. A prizmapárt elválasztó légrés dőlésszögének változtatásával a fénykúp tengelye dönthető, amivel lehetőség nyílik a detektorokra jutó fotoneloszlás módosítására. Így a szomszédos, felbonthatatlan kristályok fölé különböző dőlésszögű prizmapárokat helyezve azok megkülönböztethetővé tehetők. [S7]

Fényeltérítő prizmapár hatása. Balra 0°-os dőlésszögű, jobbra 30°-os dőlésszögű légréssel.

A speciális fényvezető megtervezéséhez elsőként a fényeltérítő prizmapár hatását modelleztem egyetlen kristályon, illetve ugyanezt a geometriát párhuzamosan kísérletileg is vizsgáltam. A kristályhoz különböző dőlésszögű prizmapárokat illesztettem, majd a kristály+prizmapár egységet a fényvezetőhöz optikailag csatolva vizsgáltam a kialakuló fényeloszlást. A mérés kiértékeléséhez és a modellel való összehasonlításához számítógépes kiértékelő algoritmust készítettem. A szimulációk és a mérés eredménye közti jó egyezést kihasználva a detektor modul különböző részeire sikerült meghatároznom olyan fényvezető-kialakítást, mellyel a felbontás megnövelhető.

A mérés (kék) és a modell (zöld) összehasonlítása a fényeloszlás keresztmetszeti profilján keresztül

A szimulációk alapján megépítettem egy olyan kísérleti modult, melyben a kristályok egy részét megfelelő dőlésszögű prizmapárokkal láttam el, lehetővé téve, hogy a módszert kísérletileg, a PET készülék moduljaira alkalmazott elrendezésben is ellenőrizzük. A modul bemérése jelenleg folyamatban van. Ezzel párhuzamosan dolgozunk azon, hogy a speciális fényvezetőt könnyebben gyártható módon alakítsuk át.

Kísérleti modul építése

Kristályon belüli fényszórás vizsgálata

A szimulációk pontosságát alapvetően meghatározzák a detektor modult összetevő elemek (kristályok, fotodetektorok) optikai jellemzői, melyek az irodalomban sokszor hiányosan vagy pontatlanul szerepelnek. Külön foglalkozom ezek közül a kristályon belüli rugalmas fényszórás megmérésével, mely a jelenlegi detektormodul képminőségét kismértékben befolyásolja. Nagyobb jelentősége van azonban a Mágneses Rezonancia Képalkotással (MRI) kombinált PET készülékek esetén alkalmazott, az előzőektől eltérő geometriájú detektor modul esetén [7]. Az irodalomban eddig csak becsléseken alapuló értékekkel számoltak. A fényszóródás jellegzetességeinek meghatározására olyan mérési módszert dolgoztam ki, mellyel a jellemzők pontosabban becsülhetők, illetve közvetlenül is mérhetők [S8].

A kísérletekhez, valamint a speciális fényvezető prototípusához szükséges mechanikai elemek és a prizmapárok a tanszék Mechanikai és Optikai Műhelyében készültek.

Várható impakt, további kutatás

A PhD munkám során kifejlesztett eljárás lehetővé teszi PET detektor modulok felbontásának optikai módon történő növelését, ezáltal az amúgy meglehetősen drága berendezés képminősége költséghatékonyan javítható. A detektálási folyamat hátterében álló fizikai jelenségek figyelembe vételével kidolgozott modell hozzájárul a további fejlesztések egyszerűbbé tételéhez.

A jövő a multimodalitású képalkotásé, amelyben a funkcionális és szövetkontraszt képalkotást egy készüléken belül valósítják meg. Az utóbbi években jelentős erőfeszítések történtek az MRI-vel kombinálható PET kifejlesztése irányában. A szórásmérések elősegítik ezen készülékekben a fényszóródás hatásának figyelembe vételét, míg a felépített modellt a későbbiekben egy PET/MRI modul megtervezésében is tudjuk hasznosítani.

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Kapcsolódó saját publikációk listája

[S1]    E. Lőrincz, G. Erdei, I. Péczeli, C. Steinbach, F. Ujhelyi, T. Bükki, I. Müller, Light Output Analyzes of Scintillator Crystal Pins and Array for PET Detector Moduls, IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, 4868–4871, Drezda, 2008.

[S2]    E. Lőrincz, G. Erdei, I. Péczeli, C. Steinbach, F. Ujhelyi, T. Bükki, I. Müller, Modeling and optimization of scintillator array for PET detectors, IEEE Transactions on Nuclear Science, 57. kötet, 1. szám, 48–54, 2010. február

[S3]    Steinbach C., Erdei G., Péczeli I., Ujhelyi F., Lőrincz E., Bükki T., Szcintillátor kristálytűk fényhasznosításának mérése és modellezése PET detektormodulhoz, Kvantumelektronika, P-5, 2008.

[S4]    Á. Szlávecz, B. Benyó, C. Steinbach, T. Bükki, A novel model and an environment for PET detector block simulation, Proceedings of the 7th IFAC Symposium on Modelling and Control in Biomedical Systems, Aalborg, Dánia, 2009. augusztus 12–14, 304–308

[S5]    C. O. Steinbach, Á. Szlávecz, B. Benyó, T. Bükki és E. Lőrincz, Validation of Detect2000 based PetDetSim by simulated and measured light output of scintillator crystal pins for PET detectors, IEEE Transactions on Nuclear Science, 57. kötet, 5. szám, 2460–2467, 2010. október

[S6]    Á. Szlávecz, T. Bükki, C. Steinbach és B. Benyó, A novel model-based PET detector block simulation approach, Biomedical Signal Processing and Control, 6. kötet, 1. szám, 27–33, 2011

[S7]    C. O. Steinbach, G. Erdei, I. Péczeli, F. Ujhelyi, T. Bükki és E. Lőrincz, Optimized Light Sharing Module for PET Block Detectors, IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, Conference Record, 2817–2820, 2009

[S8]    C. O. Steinbach, F. Ujhelyi és E. Lőrincz, Optical scattering length of LYSO scintillator crystals, IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, 2011

Linkgyűjtemény

BME Atomfizika Tanszék

Mediso Kft

Hivatkozások listája

[1]    M.E. Casey and R. Nutt, A Multicrystal Two Dimensional BGO Detector System for Positron Emission Tomography, IEEE Trans. Nucl. Sci., 33. kötet, 1. szám, 460–463, 1986. február

[2]    J.G. Rogers, A.J. Taylor, M.F. Rahimi, R. Nutt, M. Andreaco, C.W. William, An Improved Multicrystal 2-D BGO Detector for PET, IEEE Trans. Nucl. Sci., 39. kötet, 4. szám, 1063–1068, 1992

[3]    S. Surti, J.S. Karp, R. Freifelder, E Liu, Optimizing the Performance of a PET Detector using Discrete GSO Crystals on a Continuous Lightguide, IEEE Trans. Nucl. Sci., 47. kötet, 3. szám, 1030–1036, 2000. június

[4]    W-H. Wong, J. Uribe, K. Hicks, G. Hu, An Analog Decoding BGO Block Detector Using Circular Photomultipliers, IEEE Trans. Nucl. Sci., 42. kötet, 4. szám, 1095–1101, 1995. augusztus

[5]    J.S. Karp, Against, European Journal of Nuclear Medicine, 29. kötet, 11. szám, 1525–1528, 2002. november

[6]    F. Cayouette, D. Laurendeau és C. Moisan, DETECT2000: an improved Monte-Carlo simulator for the computer aided design of photon sensing devices, Proc. SPIE 4833, 69 (2003)

[7]    A. Ros, C.W. Lerche, F. Sanchez, J. Segura-Ruiz, R. Ortuno, J. Marti, A. Cantarero, A. Sebastia és J.M. Benlloch, Impact of the scattering coefficient of scintillation crystals (LYSO and LSO) on depth of interaction resolution, IEEE Nucl. Sci. Symp. Conference Record, 2008, 3715–3718.