Разработка и проверка концепции двухпанельной TOF-ПЭТ-системы

Цель: Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) — хорошо известный метод визуализации, применяемый для диагностики, лечения и мониторинга различных заболеваний. В большинстве ПЭТ-сканеров используется кольцевая конфигурация детекторов, обеспечивающая однородное качество изображения, однако такие системы имеют неизменное поле зрения, невысокое пространственное разрешение и низкую чувствительность. В некоторых ПЭТ-системах применяют открытую конфигурацию детекторов, которая обеспечивает доступ к полю зрения, адаптируемому к размерам различных объектов, и позволяет повысить чувствительность. Однако для компенсации ограниченного углового охвата в ПЭТ-системах с открытой конфигурацией необходимо создать детектор с высокими временными характеристиками, чтобы использовать при реконструкции изображения методику TOF — определение времени пролёта. Цель работы — представить экспериментальное подтверждение концепции ПЭТ-сканера, пригодного для создания нового поколения систем с открытой конфигурацией детекторов, предназначенных для наведения при биопсии и проведения клинических вмешательств непосредственно во время сканирования. Разрабатываемый детектор должен быть компактным и надёжным; целевые значения пространственного и временного разрешения — менее 2 мм и менее 200 пс соответственно.

Методы: Проведено моделирование ПЭТ-системы с открытой конфигурацией из двух панелей, расстояние между которыми можно изменять. Выполнено моделирование и оценка фантомов качества изображения и Деренцо. Для сравнения подхода с открытой конфигурацией с обычными системами также проведено моделирование фантомов с использованием кольцевой ПЭТ-системы. Затем представлена экспериментальная оценка прототипа детектора, разработанного с учётом результатов моделирования. Исследование было сосредоточено на настройке параметров ASIC и оценке обработки поверхности сцинтиллятора (ESR и TiO), а также конфигурации, обеспечивающей наилучшее временное разрешение совпадений (CTR). Кроме того, описаны масштабирование прототипа до модуля размером 64 × 64 мм и предварительная оценка распознавания пикселей.

Результаты: По данным моделирования, чувствительность в центре поля зрения составляла 1,96%, 1,63% и 1,18% при расстоянии между панелями 200, 250 и 300 мм соответственно. Реконструированное изображение фантома качества изображения характеризовалось хорошей однородностью (87%) и оптимальными значениями коэффициента восстановления контраста. Реконструкция фантома Деренцо указывает на разрешение системы 1,6–2 мм. Экспериментальные результаты показали, что покрытие TiO обеспечивало лучшие характеристики детектора, чем ESR. Данные фильтровали с помощью энергетического окна ±30% относительно положения фотопика. После фильтрации наилучшее временное разрешение совпадений составило 230 ± 2 пс для блока из 8 × 8 пикселей LYSO размером 2 × 2 × 12 мм каждый. После масштабирования прототипа до модуля размером 64 × 64 мм характеристики детектора не изменились. Карта распределения импульсов демонстрирует, что модуль позволяет различать мелкие пиксели; таким образом, достигнуто пространственное разрешение менее 2 мм (размер пикселя).

Выводы: Моделирование показало высокие характеристики бипланарного сканера с точки зрения качества изображения и чувствительности. Полученные результаты сопоставимы с показателями современных ПЭТ-систем и свидетельствуют о том, что включение информации о времени пролёта уменьшает артефакты изображения, обусловленные недостаточным угловым охватом. Экспериментальные результаты показали, что наилучшие характеристики обеспечивает покрытие TiO. Результаты позволяют предположить, что сканер может подойти для исследований органов, молочной железы, предстательной железы и сердца; для него характерны хорошая однородность и высокие значения коэффициента восстановления контраста.