Universität zu Köln

Breuer, Johannes (2009). MR-Compatible Blood Sampler for PET. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Over the last few years, the idea of simultaneous MR-PET imaging has attracted more and more research interest. This new bimodal technique promises accurate structural and functional information of the investigated object at the same time. While PET-CT has already established as a powerful bimodal imaging technique, MR offers better distinction of soft matter, which can be advantageous especially for brain research. Future studies in this field could also include simultaneous scans with fMRI and PET. For certain measurements (e.g. cerebral blood flow, metabolic rates), the quantitative analysis of PET data requires knowledge of the arterial input function (time-activity-curve of patient blood). In other words, the amount of radioactivity in the arterial blood has to be monitored constantly. Ordinary, commercially available blood sampling systems are based on Photo Multiplier Tubes (PMTs) that cannot be operated in an MR environment. An MR-compatible blood sampler was therefore designed and built to be able to exploit the full potential of hybrid MR-PET. Basically, the new device works as follows. Arterial blood is drawn out of the patient and conducted via a catheter through the detector unit of the blood sampler. The two annihilation photons that emerge after positron decay are detected separately by two scintillation crystals (50mm x 40mm x 30mm Lutetium Oxyorthosilicate (LSO)) that surround the catheter in a sandwich-like geometry. Each scintillation crystal is coupled to a single Avalanche Photodiode (APD). Both signals are fed through a 12m cable to the MR filter plate, where they are low-pass filtered. The pulse processing electronics, which are set behind the filter plate, are essentially performing a coincidence detection of annihilation photons. A major technical challenge was to deal with the pronounced temperature sensitivity and the relatively noisy signals of APDs. Besides appropriate considerations for the mechanical and electronical design, the solution involved the development of a new online algorithm that monitors the effective gain of the APDs and corrects for gain drifts. The prototype system was successfully tested for MR-compatibility in a Siemens Magnetom Trio MR tomograph. Furthermore, the blood sampler was used during PET scans of rats to prove the applicability of the new device.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language MR-kompatibles Blutprobenmessgerät für PET German
Translated abstract:	Abstract Language In den letzten paar Jahren hat die Idee von simultaner Bildgebung mit MR und PET das Interesse vieler Forscher auf sich gezogen. Diese bimodale Bildgebungsmethode verspricht, strukturelle und funktionelle Information gleichzeitig aufnehmen zu können. Während PET-CT sich bereits als ein sehr mächtiges Verfahren etabliert hat, bietet MR einen besseren Kontrast in Weichteilgewebe, was besonders in der Hirnforschung vorteilhaft sein kann. Zukünftige Studien in diesem Feld könnten auch gleichzeitige Messungen mit fMRI und PET umfassen. Für gewisse Messungen (z.B. Hirndurchblutung und Stoffwechselraten) wird zur quantitativen Analyse von PET-Daten die arterielle Input-Funktion (Zeit-Aktivitäts-Kurve vom Blut des Patienten) benötigt. Mit anderen Worten muss der Betrag der Radioaktivität fortwährend gemessen werden. Gewöhnliche, kommerziell verfügbare Bloodsampling-Systeme basieren auf Photo Multiplier Tubes (PMTs), welche nicht in einer MR-Umgebung eingesetzt werden können. Aus diesem Grund wurde ein MR-kompatibler Bloodsampler entwickelt und gebaut, um das volle Potential von hybridem MR-PET ausschöpfen zu können. Im Wesentlichen funktioniert das Gerät folgendermaßen. Arterielles Blut wird dem Patienten entnommen und durch einen Katheter durch die Detektoreinheit des Bloodsamplers geführt. Die zwei Annihilationsphotonen, welche nach einem Positronenzerfall entstehen, werden separat voneinander von zwei Szintillationskristallen (50mm x 40mm x 30mm Lutetiumoxyorthosilicat (LSO)) detektiert, welche den Katheter in einer Sandwich-artigen Geometrie umgeben. Jeder der Szintillationskristalle ist mit einer Lawinenfotodiode (englisch avalanche photodiode bzw. APD) verbunden. Beide Signale werden durch ein 12m langes Kabel bis zur MR-Filterplatte geführt, wo sie durch einen Tiefpass gefiltert werden. Die Puls-Auswerteelektronik, welche sich hinter der MR-Filterplatte befindet, führt im Wesentlichen eine Koinzidenzerkennung von den Annihilationsphotonen durch. Die beträchtliche Temperatursensitivität und die relativ verrauschten Signale von APDs stellten eine große technische Herausforderung dar. Diese Probleme wurden nicht nur im mechanischen und elektronischen Entwurf des Gerätes sondern vor allen Dingen auch in der digitalen Datenauswertung berücksichtigt. Dabei wurde ein Online-Algorithmus entwickelt, welcher den effektiven Verstärkungsfaktor der APDs überwacht und die Verstärkung digital nachkorrigiert. Der Prototyp des Gerätes wurde erfolgreich auf seine MR-Kompatibilität hin in einem Siemens Magnetom Trio Kernspintomographen getestet. Außerdem wurde der Bloodsampler während der PET-Messung von Ratten eingesetzt, um die Anwendbarkeit des neuen Gerätes zu demonstrieren. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Breuer, Johannes johannes_breuer@gmx.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-30124
Date:	2009
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute for Nuclear Physics
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Positronen-Emissions-Tomographie , Kernspintomographie , bimodale Bildgebung , arterielle Input-Funktion , Positronen-Detektor German positron emission tomography , magnetic resonance imaging , bimodal imaging , arterial input function , positron detector English
Date of oral exam:	22 April 2009
Referee:	Name Academic Title Jolie, Jan Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/3012