In der vorliegenden Arbeit wird der Einsatz von Positronenemittern zur Bestimmung der Dichte eines zweiphasigen Mediums beschrieben. Zur Messung wird die Dichteabhängigkeit der Positronenreichweite ausgenutzt. Die Realisierbarkeit des Verfahrens wird zunächst in einer Computersimulation geprüft. Danach werden Experimente an einem hochauflösenden PET-Scanner vorgestellt. Bei diesen Experimenten wird die Dichteabhängigkeit der Reichweite von Positronen anhand von Modellmedien aus festen Schaumstoffen untersucht. Dabei werden die in der Computersimulation erzielten Ergebnisse bestätigt. Aus den experimentellen Ergebnissen wird ein Modell zur Beschreibung der Abnahme der Koinzidenzrate in Abhängigkeit von der Entfernung des Detektors von der Positronenquelle und der Mediendichte entwikkelt. Auf der Basis des Modells erfolgt die Konzipierung einer für die Dichtemessung optimierten Detektoranordnung. Die Funktionsweise dieses Detektorsystems wird in Form technischer Unterlagen und experimenteller Ergebnisse beschrieben. Mit dem optimierten Detektorsystem werden die Untersuchungen an den Modellmedien nochmals durchgeführt, wobei die bisherigen Ergebnisse bestätigt werden. Das beschriebene Meßverfahren dient der Bestimmung der mittleren Dichte in einem überwiegend gasförmigen Medium, wobei eine Mittelwertbildung über das Meßvolumen erfolgt. Das Verfahren kombiniert die Vorteile bekannter densitometrischer Meßmethoden auf der Basis einer Schwächung von Strahlung, indem die hohe Dichtesensitivität der Positronenstrahlung mit der relativ geringen Absorption der energiereichen Annihilationsquanten kombiniert wird.

In der vorliegenden Arbeit wird der Einsatz von Positronenemittern zur Bestimmung der Dichte eines zweiphasigen Mediums beschrieben. Zur Messung wird die Dichteabhängigkeit der Positronenreichweite ausgenutzt. Die Realisierbarkeit des Verfahrens wird zunächst in einer Computersimulation geprüft. Danach werden Experimente an einem hochauflösenden PET-Scanner vorgestellt. Bei diesen Experimenten wird die Dichteabhängigkeit der Reichweite von Positronen anhand von Modellmedien aus festen Schaumstoffen untersucht. Dabei werden die in der Computersimulation erzielten Ergebnisse bestätigt. Aus den experimentellen Ergebnissen wird ein Modell zur Beschreibung der Abnahme der Koinzidenzrate in Abhängigkeit von der Entfernung des Detektors von der Positronenquelle und der Mediendichte entwikkelt. Auf der Basis des Modells erfolgt die Konzipierung einer für die Dichtemessung optimierten Detektoranordnung. Die Funktionsweise dieses Detektorsystems wird in Form technischer Unterlagen und experimenteller Ergebnisse beschrieben. Mit dem optimierten Detektorsystem werden die Untersuchungen an den Modellmedien nochmals durchgeführt, wobei die bisherigen Ergebnisse bestätigt werden. Das beschriebene Meßverfahren dient der Bestimmung der mittleren Dichte in einem überwiegend gasförmigen Medium, wobei eine Mittelwertbildung über das Meßvolumen erfolgt. Das Verfahren kombiniert die Vorteile bekannter densitometrischer Meßmethoden auf der Basis einer Schwächung von Strahlung, indem die hohe Dichtesensitivität der Positronenstrahlung mit der relativ geringen Absorption der energiereichen Annihilationsquanten kombiniert wird.

Στην εποχή της Μοριακής Ιατρικής, η ιατρική πληροφορία θα πρέπει να σχετίζεται με την λειτουργία των ιστών και των κυττάρων σε μοριακό επίπεδο. Η ιατρική διάγνωση καθώς και ο σχεδιασμός και η αποτελεσματικότητα της θεραπείας απαιτούν λεπτομερή πληροφόρηση σε θέματα που αφορούν τον μεταβολισμό, τους υποδοχείς, αλλά και την γονιδιακή έκφραση των ιστών. Η Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίων (ΡΕΤ), μέθοδος της Πυρηνικής Ιατρικής είναι ο κυριότερος επί του παρόντος εκπρόσωπος της Μοριακής Απεικόνισης, διαγιγνώσκει δηλαδή απεικονιστικά παθήσεις σε μοριακό επίπεδο με την βοήθεια ραδιοφαρμάκων. Τα τελευταία χρόνια υπάρχει όλο και μεγαλύτερο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη συστημάτων Τομογραφίας Εκπομπής Ποζιτρονίων που αφορούν την απεικόνιση μικρών ζώων (animal PET). Τα συστήματα αυτά είναι σχεδιασμένα ώστε να κάνουν απεικόνιση ανατομικών δομών μικρότερων από αυτές του ανθρώπου. Τα οφέλη πολλά, τόσο στην αξιολόγηση νέων ραδιοφαρμάκων, όσο και στην βελτίωση των κλινικών PET μέσα από την μελέτη και την ανάπτυξη τέτοιων πρότυπων συστημάτων. Το αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας αφορά την μελέτη σε βάθος και κατανόηση της λειτουργίας ενός πρότυπου συστήματος PET (Positron Emission Tomography). Σε πειραματικό επίπεδο θα γίνει εκμάθηση και λήψη δεδομένων μέσω των ηλεκτρονικών μονάδων NIM. Τα χαρακτηριστικά του συστήματος που χρησιμοποιείται στην παρούσα εργασία είναι μια μικρή PET κάμερα, που αποτελείται από δυο κεφαλές βασισμένες σε χωρικά ευαίσθητο φωτοπολλαπλασιαστή H8500 και διακριτοποιημένο κρύσταλλο LSO κυψελίδων 2x2mm2, πεδίου διαστάσεων 5x5cm2. Κάθε κεφαλή περιλαμβάνει ένα φωτοπολλαπλασιαστή, ένα κρύσταλλο και ηλεκτρονικά τα οποία είναι υπεύθυνα για την προ-ενίσχυση. Το σύστημα συλλογής δεδομένων θα γίνει μέσω των ηλεκτρονικών NIM (Nuclear Instrumentation Module) και θα συγκριθεί με εκείνο του small animal PET. Σκοπός μας είναι να χρησιμοποιήσουμε τις κατάλληλες μονάδες (ενισχυτές, διευκρινιστές, μονάδες σύμπτωσης και gate and delay generators), ώστε να καταγραφεί το είδος των μεταφερομένων σημάτων σε όλες τις επιμέρους μονάδες. Στη συνέχεια και ύστερα από επεξεργασία των δεδομένων στον υπολογιστή θα πραγματοποιηθεί απεικόνιση ομοιωμάτων ή μικρών ζώων. Η σύγκριση καθώς και η κατανόηση της λειτουργίας του τρόπου με τον οποίο γίνεται η σύμπτωση και η συλλογή των δεδομένων θα μας βοηθήσει μελλοντικά στην ανάπτυξη ενός νέου συστήματος PET με βέλτιστα επιθυμητά χαρακτηριστικά. / In this work dual head PET camera, suitable for high resolution small animal studies has been developed. The system has a field of view of 5x5cm and is based on 2 H8500 position sensitive photomultiplier tubes (PSPMTs), coupled to two LSO crystals with 2.5x2.5mm pixel size. Then an FPGA based data acquisition system and proper data reconstruction system collect events, sort coincidences and produce images. We develop a system that is responsible for the coincidence detection based on NIM electronics. Systems evaluation has been carried out using FDG. Point sources have been used for systems calibration. Capillaries with 1.1mm inner diameter were imaged.

In this work is presented stochastic model of binaural hearing in context of another alternative models. According to latest experimental data on mammals, inhibition plays a role in interaural time difference recognition, which is a key for low frequency sound source localization. The outputs of experiments may lead to the conclusion that the binaural hearing works differently in mammals compared to birds. Nowadays there are a few theoretical works addressing this new phenomena, but all of them are relaying on a very precise inhibition timing, which was never proved as physiologically valid. On the other hand, models described in this work are based on the fact, that every neuron has a random delay when reacting to an excitation. If this time jitter is taken into account and combined with inhibitory signal, delay in the neuronal circuit and coincidence detection, then the output firing rate corresponds to the azimuth of the sound source. In this work it is shown, that such a neuronal circuits are giving the same output results compared to experimental data. The models are supported by analytical computations and numerical simulations including simulation of cochlear implant.

In this work is presented stochastic model of binaural hearing in context of another alternative models. According to latest experimental data on mammals, inhibition plays a role in interaural time difference recognition, which is a key for low frequency sound source localization. The outputs of experiments may lead to the conclusion that the binaural hearing works differently in mammals compared to birds. Nowadays there are a few theoretical works addressing this new phenomena, but all of them are relaying on a very precise inhibition timing, which was never proved as physiologically valid. On the other hand, models described in this work are based on the fact, that every neuron has a random delay when reacting to an excitation. If this time jitter is taken into account and combined with inhibitory signal, delay in the neuronal circuit and coincidence detection, then the output firing rate corresponds to the azimuth of the sound source. In this work it is shown, that such a neuronal circuits are giving the same output results compared to experimental data. The models are supported by analytical computations and numerical simulations including simulation of cochlear implant.

Research on photon counting detectors (PCDs) is focused on semiconductor materials, and silicon is a strong candidate to use in PCDs for photon counting computer tomography (CT). In a silicon detector, a significant portion of the counts is due to Compton scattering events. Since only part of the incident photon energy is deposited in a Compton interaction, Compton interactions lead to a loss of spectral information. By using Compton coincidence detection, i.e., combining information from multiple Compton events caused by the same incident photon, it is possible to obtain more spectral information from Compton scattered photons, increasing the energy resolution of the detector. The goal of this thesis is to develop and evaluate a method for Compton coincidence detection for photon counting CT. In this thesis, a method for Compton coincidence detection based on Compton kinematics and a χ2 test is presented and compared to a previously developed method based on maximum likelihood estimation. The χ2 method utilised the connection between the energy before vs after a Compton interaction, and the scattering angle. The possible scattering angles due to deposited energy in each interaction were called the energy angles. The spatial angles between the interaction positions in the detector were calculated and compared to the energy angles through a χ2 test in order to find the correct order of interaction and the incident photon energy. The χ2 method correctly identified the interaction order of 85.8% of simulated interaction chains ending in photoelectric effect and 64.1% of simulated interaction chains containing only Compton interactions. The energy estimation was 100% correct for all chains ending in photoelectric effect, since all of the incident energy was deposited in the detector. For chains of only Comptoninteractions, the energy was estimated with an RMS error of 21.2 keV. Combining the results from chains ending in a photoelectric interaction and chains of only Comptoninteractions, the total RMS error of the energy estimation was 11.5 keV. / Datortomografi (CT) är en viktig del av dagens sjukvård, och fotonräknande detektorer för CT är på väg från forskning till klinisk användning. Forskningen inom fotonräknande detektorer fokuserar på att använda halvledande material, och kisel är en stark kandidat till att användas för fotonräknande detektorer. I en kiseldetektor interagerar en betydande andel av fotonerna genom Compton-spridning. Då endast en del av fotonenergin deponeras i detektorn när en Compton-interaktion sker leder det till en förlust av spektral information. Genom att kombinera information från flera Compton-interaktioner som orsakats av samma infallande foton, så kallad sammanfallsdetektering, är det möjligtatt erhålla en ökad mängd spektral information från Compton-spridna fotoner. Målet med detta examensarbete är att utveckla och utvärdera en metod för sammanfallsdetektering för att erhålla spektral information från Compton-spridda fotoner i en detektortill fotonr¨aknande CT. I detta arbete presenteras en metod baserad på kinematiken bakom en Compton-interaktion och ett χ2-test. Metoden jämförs sedan med en tidigare utvecklad metod baserad på maximum likelihood-uppskattning. χ2-metoden utnyttjade sambandet mellan deponerad energi i en Compton-interaktion och möjliga spridningsvinklar, här kallade energivinklar. De spatiella vinklarna mellan interaktionerna i detektorn mättes och jämfördes genom ett χ2-test för att hitta interaktionsordningen och den infallande energin. χ2-metoden identifierade interaktionsordningen korrekt för 85.5% av alla simulerade interaktionskedjor som slutade i fotoelektrisk effekt och 64.1% av alla simulerade interaktionskedjorsom endast innehöll Compton-interaktioner. Uppskattningen av infallande energi var 100% korrekt för alla interaktionskedjor som slutade med en fotoelektrisk interaktion,eftersom all infallande energi deponerats i detektorn. För kejdor som endast bestod av Compton-interaktioner uppskattades den infallande energin med ett RMS-fel på 21.2 keV. Genom att kombinera resultaten från kedjor som slutade med en fotoelektrisk interaktion och resultaten från kejdor som endast bestod av Compton-interaktioner blev det totala RMS-felet för energi-uppskattningen 11.5 keV.