Praktikumsauswertung zur Positronen-Emissions-Tomographie

Vorbereitung

Ziel des Versuchs war es, Gammastrahlung nachzuweisen, die durch Positron­Elektron-Vernichtung erzeugt wird. Positronen sind positiv geladene Teilchen, die beim ß+-Zerfall entstehen. Dabei zerfällt ein Proton in ein Neutron, ein Positron und ein Elektronneutrino. Das Positron wechselwirkt aber wieder sehr schnell mit einem Elektron, wodurch die beiden vernichtet werden und zwei Gammaguanten ausgestrahlt werden. Das Positron wird vor der Vernichtung stark abgebremst, weshalb sowohl Elektron als auch Positron als annähernd ruhende Teilchen gesehen werden können. Die beiden Gammaguanten haben dementsprechend eine Energie von ca. 511 keV und fliegen in entgegengesetzter Richtung.

Diese Gammaguanten werden nun an zwei Detektoren registriert. Über einen geeigneten Aufbau wird ein Ereignis nur dann gezählt, wenn beide Detektoren gleichzeitig ein Gammaguant registrieren. Somit werden (im Idealfall) nur die Gammaguanten gezählt, die bei der Positron-Elektron-Vernichtung entstehen.

Detektor

Als Detektor verwenden wir ein sogenannten Szintillationskristall. Diese Kristalle eignen sich zum Nachweis von Gammaguanten, denn diese regen die Atome in den Kristallen an, was wiederum zur Emission von Gammaguanten führt, wenn die Atome wieder in ihren Grundzustand zurückkehren. Diese Gammaguanten werden an einer Photokathode registriert und lösen durch den photoelektrischen Effekt Elektronen ab. In einem Photomultiplier werden diese Elektronen beschleunigt und stoßen dabei auf mehrere Dynoden, wodurch mehrere Sekundärelektronen abgelöst werden. So entstehen ca. 107 Sekundärelektron pro Elektron. Diese verursachen dann einen messbaren Spannungsabfall.

Die Szintillationskristalle müssen dabei einige Eigenschaften erfüllen, je nach welche Messung erwünscht ist. Die Lichtausbeute (und damit die gemessene Spannung) ist ab einer gewissen Energie proportional zur deponierten Energie, weshalb sich diese Kristalle dazu eignen, ein Energiespektrum aufzunehmen. Dabei sollte die Energieauflösung so gut wie möglich sein. Das heißt, nahe bei einander liegende Energiewerte sollten immer noch unterschieden werden können. Gleichzeitig kann aber auch die Zählrate selber eine Rolle spielen. Der Kristall hat eine sogenannte Totzeit nach jedem Ereignis, in der keine weiteren Ereignisse gemessen werden können. Um möglichst wenige Ereignisse zu „verpassen" sollte diese Totzeit so kurz wie möglich sein.

PET in der Medizin

Das PET-Verfahren wird hauptsächlich in der Medizin verwendet. Hier wird ein sogenannter Tracer in den Körper eingeführt und beobachtet. Der Tracer ist ein radioaktiv markierter Stoff, der sich im Stoffwechsel einbauen lässt. Ein Atom dieses Tracers zerfällt unter Ausstrahlung eines Positrons, das sich durch die eben beschriebene Methode nachweisen lässt. Somit können Stoffwechselvorgänge beobachtet werden und die Konzentration des Tracers in verschiedenen Organen gemessen werden. Tumore und andere Störfaktoren können dadurch frühzeitig erkannt werden.

Dieser Tracer muss dementsprechend verschiedene Merkmale besitzen:

- Der Tracer muss sich in den Stoffwechsel einbauen lassen und darf diesen nicht stören (eine Ausnahme ist, wenn der Tracer gleichzeitig als Medikament verwendet wird und dessen Wirkung untersucht werden soll).
- Weder Tracer noch seine Tochternuklide dürfen toxisch sein und dem Patienten nicht schaden. Ebenso sollte die Zerfallskette kurz bleiben, damit der Körper nicht unnötig viel Strahlung ausgesetzt wird.
- Die Halbwertszeit des Tracers sollte so kurz wie möglich sein, um den Patienten nicht unnötig zu belasten. Gleichzeitig muss sie aber lang genug sein, um in den Stoffwechsel eingebaut zu werden und nicht schon vorher zu zerfallen.
- Aus diesem Grund muss der Tracer günstig sein und vor allem vor Ort herstellbar sein, da eine Lieferung aufgrund der relativ kurzen Halbwertszeit problematisch ist.

Versuchsaufbau

Für den ersten Teil der eigentlichen Messung haben wir das Energiespektrum von 22Na gemessen. Dabei haben wir folgenden Aufbau verwendet:

Der Detektor gibt das Signal, das zur abgestrahlten Energie der Probe proportional ist, an den Spectroscopy Amplifier weiter. Der hier verwendete Verstärker verstärkt das Signal proportional zum Eingangssignal um eine gute Energieauflösung zu erhalten. Der Analog-To-Digital Converter (ADC) verwandelt das analoge Eingangssignal in ein digitales Ausgangssignal, das an einen Computer weitergegeben wird, wo die aufgenommenen Werte von dem Programm WinTMCA verarbeitet und visuell dargestellt werden.

Bei dem zweiten Teil wollen wir sowohl die zeitliche als auch die örtliche Auflösung der Apparatur bestimmen. Hierfür verwenden wir folgenden Aufbau:

(Abb 2: Aufbau zur Messung der Zeit- und Ortsauflösung)

Hier verwenden wir zwei andere Verstärker, nämlich sogenannte Timing Filter Amplifiers. Diese sorgen nun nicht mehr für eine proportionale Verstärkung, sondern dafür, dass die Anstiegszeit der Signale möglichst kurz ist, damit der „Startpunkt" des Signals genauer definiert werden kann. Als nächstes werden die Signale in Constant Fraction Diskriminatoren (CFD) geschickt. Diese Diskriminatoren sorgen einerseits dafür, dass nur Signale, die eine bestimmte Schwelle überschreiten, weiterverarbeitet werden und anderseits sorgen sie dafür, dass die Signale „gleichzeitig" sind. Würde nur das Überschreiten einer bestimmten Schwelle berücksichtigt, so kann bei Signalen unterschiedlicher Höhe aber gleicher rise time ein „time walk" auftreten, so dass die Signale zu unterschiedlichen Zeiten registriert werden. Ein CFD verändert ein Signal so, dass es unabhängig von der Amplitude gemessen werden kann.

Da uns lediglich gleichzeitige Signale interessieren (es entstehen zwei Gammaguanten bei der Positronvernichtung) verwenden wird einen Time-to- Amplifier Converter. Dieser erhält ein Start- und ein Stopsignal und liefert dann einen Puls, dessen Höhe proportional zur Zeit zwischen den beiden Signalen ist. Da wir aber nicht wissen, welcher Detektor als erstes ein Signal erhält, müssen wir zwischen einem Diskriminator und dem TAC einen Delay schalten. Nun messen wir noch gleichzeitige Signale, haben aber eine deutliche (zwischen 0,5 und 63,5 ns) Zeitverzögerung zwischen den Signalen. Da die Totzeit von unserem Bismutgermanat 300 ns beträgt, verfälscht diese Zeitverzögerung nicht die Messung.

Das Signal wird dann wieder in einen ADC und daraufhin in einen Computer geschickt, wo es von WinTMCA verarbeitet wird.

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