Введение к работе
Актуальность темы. Создание позиционно-чувствительного детектора (ПЧД) для регистрации у-квантов с энергией 511 кэВ является одной из ключевых задач разработки отечественного позитрон-эмиссионного томографа (ПЭТ), предназначенного для диагностики на ранней стадии онкологических, неврологических и кардиологических заболеваний. Разрабатываемый детектор должен иметь высокую эффективность регистрации для того, чтобы в обследовании можно было использовать радиофармпрепараты с меньшей активностью или с более коротким временем полураспада.
ПЭТ - современная технология для измерений биохимической активности организма, представленной локальной концентрацией рад иофарм препарата в ткани пациента. Полученные при этой технологии изображения отражают физиологические процессы, протекающие на молекулярном уровне. Эта информация может быть использована для характеристики многих жизненно важных процессов, включая метаболизм глюкозы, кровообращение, утилизацию кислорода, на основании чего клиницисты способны оценить состояние органов и тканей. Стремительный интерес к этим методам в нашей стране обусловлен неблагоприятной статистикой заболеваний. В отличие от таких традиционных диагностических технологий, как КТ, ЯМР, УЗИ, которые предоставляют информацию об структурных изменениях, ПЭТ даёт возможность оценить функцию органа или ткани, которая в большинстве случаен нарушается раньше, чем появляются структурные изменения.
р" -> 11 * рИ -і V
р" -і- [V --> 2?
(О
Ч ірї
Рис, 1. Принцип позитроні і о-эмиссиенной томографии
Путем введения радиофармпрепаратов, включающих источник позитронов, имеющих тропность к тем или иным органам, и последующего изучения распределения этих препаратов в организме медики имеют возможность определить малейшие отклонения от их нормального функционирования Изучение распределения (концентрации) радиофармпрепарата возможно благодаря регистрации аннигиляционных у-квантов Регистрация происходит при помощи детекторных модулей, состоящих из сцинтилляторов и фотодетекторов (рис. 1) Далее импульс обрабатывается аналоговой и цифровой электроникой для получения изображения Подтверждением того, что произошел факт аннигиляции позитрона, является одновременная регистрация двух у-квантов противоположно расположенными позиционно-чувствительными детекторами под углом 180 Этого можно добиться с помощью кольца детекторов или медленно вращающейся пары противоположных детекторов
Данная информация необходима для визуализации концентрации радиофармпрепарата в исследуемом объекте Размер восстанавливаемого изображения и сложность задачи по обработке данных определяются полем видимости каждого детектора и зависят от геометрии детекторов, их физических характеристик и других факторов
Развитие метода позитронной эмиссионной томографии привело к его активному использованию не только в медицинской диагностике, но и к широкому применению в медико-биологических исследованиях Используя ПЭТ для исследования животных, можно проверять действие новых лекарств и методов лечения Подобные исследования очень перспективны при разработке и проверке новых фармпрепаратов, при изучении функций органов, фар-мокинетики препаратов, при моделировании человеческих заболеваний и методов их диагностики и лечения В Российской Федерации подобные исследования не проводятся из-за отсутствия необходимого для этого оборудования, что резко снижает научный потенциал страны, направленный на развитие отечественного здравоохранения Для выполнения фундаментальных исследований в медицине с использованием современных физико-технических подходов необходима разработка отечественного комплекса оборудования для медико-биологических ПЭТ-центров, создаваемых на базе ведущих медицинских учреждений страны
Пель диссертационной работы заключалась в разработке и исследовании основных характеристик многоканального сцинтилляционного позици-онно-чувствительного детектора с высоким пространственным разрешением на кристаллах Lu2Si05(Ce), предназначенного для решения задач в области позитронно-эмиссионной томографии. Основные задачи, которые решались в ходе работы над диссертацией разработка конструкции детектора, создание программного обеспечения, измерение спектрометрических и временных
характеристик ПЧД, измерение глубины поглощения у-квантов в объеме детектора и исследование фотодиодов с гейгеровской модой усиления с целью определения возможности их использования в ПЧД
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые в России разработан позиционно-чувствительный детектор с возможностью измерения глубины поглощения аннигиляционных у-квантов для задач ПЭТ на базе многоканальных фотодетекторов и сцинтилляторов LSO Проведенный анализ показал высокую значимость этой работы для создания новых позицион-но-чувствительных детекторов в различных областях медицинской физики
Практическая ценность результатов Приведенные в работе исследования продемонстрировали возможность создания современного позиционно-чувствительного детектора с возможностью измерения глубины поглощения у-квантов с энергией 511 кэВ в объеме сцинтиллятора
Предложенная методика позволила производить подробные исследования кристаллов, выращенных по различной технологии (Чохральского, Бриджме-на) С использованием элементов «Пельтье» разработаны недорогая конструкция и технология изготовления автономной детектирующей секции с системой охлаждения и термостабилизации
Для обеспечения оперативного доступа к результатам работ, а также к их обновлению, было создано централизованное хранилище на Интернет-сервисе Разработано ядро ( SPDLib) программного обеспечения для сбора и анализа информации, получаемой от ПЧД
Получены обнадеживающие результаты измерений характеристик современных лавинных фотодиодов, которые позволяют надеяться на создание нового, более совершенного полупроводникового детектора для задач пози-тронной томографии
Разработанные методики представляют интерес для научно-исследовательских институтов и фирм, занимающихся разработкой современных позиционно-чувствительных детекторов и их элементной базы включая RCAST (Япония), Федеральное государственное унитарное предприятие НИИ «Полюс» им М Ф Стельмаха, ЗАО ЦПТА (Центр перспективных технологий и аппаратуры), НИИ «Пульсар», Научно-технологический центр физической кристаллографии Академии Наук Грузии, Институт кристаллографии имени А В Шубникова РАН
На защиту выносятся следующие основные положения:
Результаты теоретических и экспериментальных исследований сцинтилляционного кристалла LSO,
Результаты оптимизации одиночного детектора, состоящего из кристалла LSO с двумя фотодетекторами, установленными с обоих торцов сцинтиллятора,
Технология и конструкция изготовления одиночных детекторов и модулей на их основе Методики контроля основных параметров и испытаний одноканального детектора и детектирующего канала в целом,
Методика создания сцинтилляционной матрицы LSO с высоким световыходом,
Результаты исследований фотодиодов с гейгеровской модой усиления,
Результаты испытаний 2-х прототипов 16-канальных детекторов при облучении их у-квантами с энергией 511 кэВ
Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались на конференциях «МИФИ - 1999» (г Москва, 1999 г), Международная конференция по неорганическим сцинтилляторам и их применению (г Москва, 2000 г), Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (Lyon, 2000), 7-th International Conference on Advanced Technology and Particle Physics (Villa Olmo, 2001), International Conference on New Developments in Photodetection (June 2001, Beaune), Научная сессия «МИФИ - 2002» (г Москва, 21 - 25 января 2002 г), 2006 Nuclear Science Symposium (Medical Imaging Conference, San Diego), 9-й Международный семинар «Новые тенденции в развитии позитронной эмиссионной томографии» (г Санкт-Петербург, 2006 г.).
Достоверность и обоснованность основных научных положений и выводов диссертационной работы определяются сравнением результатов измерений настоящей работы с опубликованными в литературе сопоставимыми данными других авторов и использованием для измерений современной высокоточной электроники и программного комплекса
Личный вклад. Все результаты, представленные в диссертации, получены автором лично или при его определяющем участии
Объём и структура диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения Список цитированной литературы содержит 124 наименования Материал диссертации основан на работах, опубликованных в пе-
риод с 200J по 2007 г.г. в журналах и сборниках научных конференций. Количество работ по теме диссертации, опубликованных за этот период и использованных в диссертации, - 17. Все приведены а автореферате. Работа изложена па 129 страницах, и содержит 10 таблиц и 47 рисунков.