Детектирование совпадений. 
Ядерная медицина. 
Радионуклидная диагностика

Почти одновременную регистрацию двух коллинеарных 511 кэВ фотонов, образующихся при аннигиляции позитрона, называют детектированием совпадений. Она является фундаментом ПЭТ-сканеров. Упрощенная схема электроники ПЭТ-сканера была показана на рис. 6.2.

Рис. 6.4. Различные конфигурации детекторов ПЭТ-сканеров:

А — полный круг; В — частичный круг с 15° угловыми промежутками между двумя блоками детекторов; С — непрерывная конфигурация детекторов, использующая изогнутые пластины Nal (Tl); D — гексагональная конфигурация квадрантных плоских панелей детекторов Детекторы, состоящие из сцинтилляционных материалов, сочленяются с ФЭУ или лавинными фотодиодами, или другими устройствами, которые создают электрические импульсы с амплитудой, пропорциональной поглощенной энергии фотонов. Результирующие сигналы от ФЭУ усиливаются в 10—100 раз и поступают в одноканальные анализаторы, которые отбирают импульсы с амплитудами, находящимися в установленном окне, и на выходе создают импульсы определенной формы и длительности. Это делается для отсечки событий, связанных с комптоновским рассеянием фотонов, при котором поглощаемая энергия меньше 511 кэВ. В типичном варианте ±25 процентное энергетическое окно центрируется около 511 кэВ, так что нижний порог устанавливается на уровне 380 кэВ, а верхний — на уровне 640 кэВ.

В идеальном временном совпадении отсчетов в ПЭТ-сканере два аннигилляционных фотона детектируются двумя детекторами точно в одно и то же время. В реальности, однако, один из фотонов может попасть в детектор раньше, чем другой в противоположный детектор. Эта неопределенность во времени детектирования называется временным разрешением или временным окном совпадения. Она является следствием нескольких причин. В частности, временное разрешение связано с различием в формировании импульсов в детекторах, обусловленным статистическими флуктуациям в коэффициенте усиления и времени высвечивания детекторов. Далее имеется различие в расстояниях, которое должны пройти фотоны до попадания в детектор, особенно если событие аннигиляции происходит вблизи края поля обзора. Если диаметр ПЭТ-санера ~ 1 м, то и максимальная разница в длине пути для двух аннигилляционных фотонов тоже ~ 1 м. Так как скорость фотонов 3×10⁸ м/с, то разность во времени попадания будет ~(3—4) нс.

В электронной цепи сканера два согласованных по времени сигнала, А и В формируются в виде импульсов определенной ширины т. Сигнал В может образоваться в детекторе раньше по времени на величину т, чем сигнал, А в другом детекторе (рис. 6.5, а), и наоборот (рис. 6.5, б). Это крайние случаи, промежуточные варианты соответствуют частичным перекрытиям сигналов (рис. 6.5, в). Во всех этих случаях сигналы будут считаться совпадающими по времени. Следовательно, минимальная величина временного разрешения совпадений равна 2 т и для типовых ПЭТ-сканеров находится в интервале от 6 до 20 нс.

Таким образом, событие аннигиляции регистрируется при попадании сигналов от детекторов, А и В в энергетическое и временное окна, т. е. когда сигналы, идущие по параллельным каналам, отвечают временному и энергетическому критериям. Однако не все зарегистрированные сканером события, импульсы от которых отвечают данным критериям, будут «истинными» совпадениями, т. е. соответствующими одному событию аннигиляции и имеющими энергию 511 кэВ. На рис. 6.6 показаны разные виды событий совпадения, регистрируемые ПЭТ-сканером: а) истинные события совпадения (рис. 6.6, А); б) события совпадения, при которых один или оба фотона рассеиваются внутри тела пациента (рис. 6.6, В); в) случайные совпадения, соответствующие разным актам аннигиляции (рис. 6.6, В); г) множественные (тройные) события совпадения, при которых в одном из детекторов регистрируются одновременно два аннигилляционных фотона, возникающие от разных актов аннигилляции (рис. 6.6, Г) — Три первых вида совпадений обычно называют основными.

Рис. 6.5. Определение ширины окна совпадений (2т) для согласованных во времени сигналов, А и В шириной т:

А — импульс В приходит из противоположного детектора после импульса А;

В — импульс В приходит из детектора раньше, чем импульс А;

С — импульсыАнВ частично перекрываются во времени Аппаратура совпадений сканера не различает события, если сигналы, создаваемые двумя фотонами, проходят через временное и энергетическое окно. Поэтому первые два события, являясь случайными совпадениями, будут регистрироваться как истинные события эмиссии и аннигилляции позитрона. Такие события увеличивают фон изображения и уменьшают его контраст. Вероятность их появления возрастает с увеличением плотности и поперечных размеров ткани, активности РФП и соответственно ширинам энергетического и временного окон.

Воображаемая линия, соединяющая два детектора, импульсы от которых совпадают во времени, называется линией ответа или ответной линией (англ, a line of response (LOR)). В первых двух случаях на рис. 6.6 линия ответа не проходит через истинную точку аннигиляции позитрона. Смещение ответной линии имеет место также в случае неколлинеарности двух аннигилляционных фотонов (рис. 6.7), о чем шла речь ранее в разделе 2.

Регистрируя совпадения, ПЭТ-сканер определяет только линию, на которой находится событие аннигиляции позитрона, но не конкретную точку в пространстве. Однако если временной критерий сильно сузить, то событию можно приписать конкретное место на ответной линии, измеряя временную разность попадания двух аннигилляционных фотонов в детекторы. В случае реализации такого метода можно было бы эффективно отсечь события, происходящие вне исследуемого объема источника, рассеянное излучение и случайные совпадения, что существенно улучшило бы отношение сигнал/шум. Такой подход называется методом времени пролета (англ, time of flight (TOF)).

Рис. 6.6. Разные вида событий совпадения, регистрируемые ПЭТ-сканером:

А — истинные совпадения; Б — рассеянные совпадения; В — случайные совпадения; Г— множественные (или тройные) совпадения. Точкой «•» отмечено событие аннигиляции, пунктирной линией «——» показана принятая линия ответа [3].

Рис. 6.7. Смещение ответной линии относительно точки аннигилляции позитрона вследствии неколлинеарности 511 кэВ аннигилляционных.

фотонов [2].

Для реализации метода пролета на практике, необходимо, чтобы разрешающее время сканера при 20 см диаметре исследуемого объекта было не хуже 0,7 нс. Было предпринято большое количество попыток создания подобного сверхбыстрого ПЭТ-сканера. Однако технологически эта задача пока оказалась слишком сложной при тех временных характеристиках сцинтилляторов, которые в настоящее время могут использоваться в ПЭТ-сканерах. Вместе с тем исследования по поиску более быстрых сцинтилляторов ведутся очень активно, поэтому вполне возможно в недалеком будущем такие быстрые ПЭТсканеры будут созданы.