Data acquisition for monolithic scintillation detectors in PET applications

Robin Cuypers
Persbericht

Data acquisition for monolithic scintillation detectors in PET applications

Ontwikkeling van een hersenscanner

                                          Robin Cuypers

 

 

 

Is het waar dat we maar 30 % van de capaciteit van onze hersenen gebruiken? Welke delen van onze hersenen zijn het actiefst en welke zijn het gevoeligst voor ziektes zoals Alzheimer? Hoe kunnen we een tumor lokaliseren? Om op al deze en andere vragen een antwoord te krijgen ontwikkelen we een scanner die de processen in de hersenen zal tonen. Het doel is een scanner te ontwikkelen die in tegenstelling tot de huidige scanners niet het hele lichaam onder de loep neemt maar die zich enkel richt op de hersenen. Doormiddel van drie grote vernieuwingen in het ontwerp van de scanner willen we meer dan een verdubbeling van de ruimtelijke resolutie bekomen. Verder zullen we de scanner zo ontwikkelen dat hij compatibel wordt met andere type scanners, waar dit met de huidige scanners niet altijd het geval is. Mijn scriptie is een eerste stap in de ontwikkeling van deze wonderbaarlijke scanner. In het kader van mijn masterproef om master in de nucleaire technieken te worden, heb ik gedurende de zomermaanden van 2008 stage gelopen aan het gerenommeerde onderzoeksinstituut CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas) in Madrid, Spanje. In dit artikel zal ik kort mijn werk aan CIEMAT toelichten en de vooruitgang gemaakt in het project gedurende het academiejaar volgend op mijn stage schetsen.

 

De basisprincipes waarop onze PET (Positron Emission Tomography) scanner gebaseerd is zijn dezelfde als voor een klassieke PET scanner. Kort samengevat komen deze op het volgende neer: allereerst wordt er een radioactieve stof en drager voor deze stof aan de patiënt toegediend. Deze dragers brengen het radionuclide naar de gewenste plek in het lichaam en de keuze hangt af van welk lichaamsproces men wil bestuderen. Wil men bijvoorbeeld processen in de hersenen bestuderen dan gebruikt men glucose (suikers) als drager, dit wordt immers verbruikt door de hersenen indien deze actief zijn. Op deze manier wordt het radionuclide verdeeld en opgenomen in de verschillende delen van het menselijk lichaam die we willen bestuderen.

Vervolgens wordt de patiënt in de scanner geplaatst, deze kan simpelweg beschouwd worden als een grote ringvormige detector voor straling die door het radionuclide in het lichaam van de patiënt wordt uitgezonden. Deze detectorring is opgebouwd uit verschillende detectorblokjes die elk bestaan uit twee onderdelen, een kristal dat de straling omzet naar zichtbaar licht en een onderdeel dat dit licht op zijn beurt omzet naar een elektrisch signaal. In deze detectorblokjes zit nu een eerste groot verschil tussen de hersenscanner die we ontwikkelen en de klassieke PET scanners. Om de ioniserende straling om te zetten naar zichtbaar licht maken we gebruik van een koppeling tussen 2 grote kristallen, klassiek maakt men gebruik van een kristal opgebouwd uit vele kleinere kristalletjes.  Ook het onderdeel dat het licht omzet in een elektrisch signaal is aangepast in ons ontwerp, we gebruiken niet langer een PMT (Photo Multiplier Tube) maar fotodiodes. Vervolgens worden de uitgangen van de verschillende fotodiodes de ingangen van neurale netwerken die berekenen waar op de detectorring de radioactieve straling inviel. Aan de hand van deze gegevens kan dan teruggerekend worden naar de plaats van oorsprong van het radionuclide in de patiënt en kan men zich een beeld vormen van het lichaamsproces dat men wou bestuderen.

Het voordeel van het gebruik van grote kristallen i.p.v. kristallen die opgebouwd zijn uit kleinere kristallen is dat de grote kristallen over hun volledige volume radioactieve straling kunnen omvormen naar zichtbaar licht, waar dit bij de kleine kristallen niet het geval is vermits er tussen de kleine kristallen een optische isolatie aanwezig is (zodat het licht niet kan verspringen van het ene naar het andere kristal). Hierdoor wordt de efficiëntie van onze scanner hoger dan voor de klassieke scanners. Een gevolg hiervan is dat we een minder sterke radioactieve stof kunnen toedienen waardoor de stralingsbelasting voor de patiënt daalt. Door het gebruik van een koppeling van steeds 2 kristallen kunnen we de onzekerheid op de berekening van de plaats van oorsprong van de ioniserende straling in het lichaam van de patiënt sterk reduceren. Het voordeel van het gebruik van de fotodiodes is dat deze wel compatibel zijn met sterke magnetische velden waarbij de klassiek gebruikte PMTs hiermee niet compatibel zijn waardoor we onze scanner in combinatie met een MRI (Magnetic Resonance Imaging) scanner kunnen gebruiken. Dit is van groot belang vermits een PET scanner ons functionele info geeft waarbij een MRI scanner ons anatomische kennis levert, een combinatie van beide is van groot belang om processen in het menselijke lichaam op een grondigere manier te kunnen bestuderen.

Door het toepassen van deze vernieuwingen in het scanner ontwerp willen we een ruimtelijke resolutie voor de berekening van de oorsprong van de radioactieve straling bekomen van 2 mm voor het prototype en van 1 mm voor de uiteindelijke hersenscanner. Dit is een indrukwekkende doelstelling wetende dat de huidige ruimtelijke resolutie die behaald wordt standaard 6 mm bedraagt.

Binnen het grote project van de ontwikkeling van deze hersenscanner was mijn taak drieledig: allereerst was er een softwaretaak, een tweede taak bestond erin een vergelijkende studie te maken van verschillende reflectieve materialen om de detectorblokjes te omwikkelen, het derde deel van mijn taak was om de stabiliteit van het prototype te bestuderen.

Onder de softwaretaak viel het ontwikkelen en versnellen van de softwarecode om de neurale netwerken te berekenen. Het doel was om 2 miljoen neurale netwerken per seconde te kunnen berekenen. Deze doelstelling werd ruimschoots behaald met een snelheid van meer dan 3 miljoen neurale netwerken die we kunnen berekenen per seconde.

Als reflecterende materialen werden Teflon en witte verf vergeleken, hieruit bleek duidelijk dat Teflon beter scoorde dan de witte verf wat betreft energieresolutie, ruimtelijke resolutie en reflectiviteit. De detectorblokjes worden door zulk reflecterende stof omgeven om ervoor te zorgen dat de hoeveelheid zichtbaar licht dat kan omgezet worden naar een elektrisch signaal door de fotodiodes zo groot mogelijk is.

Uit de studie naar de stabiliteit van het prototype bleek duidelijk dat zowel de opstelling zelf (binnen 3 %) als de resultaten van de berekeningen van de neurale netwerken stabiel bleven over een periode van dagen.

Gedurende mijn 3 maanden durende stageperiode in Madrid heb ik onderzoek gedaan naar 1 detectorblokje, tegen het einde van het academiejaar waarin ik aan dit project meewerkte hadden we een werkende opstelling van 2 detectorblokjes werkend in coïncidentie met bijhorende fotodiodes operationeel. Er is dus nog een lange weg te gaan naar een werkend prototype met een detectorring van 52 paren van detectorblokjes.

 

 

 

Bibliografie

De bibliografie van de scriptie zit reeds in de scriptie zelf vervat.

Universiteit of Hogeschool
Master in de nucleaire technologie
Publicatiejaar
2009
Share this on: