Characterization studies and prototyping for a novel Positron Emission Tomography detector

Abstract

This thesis deals with a characterization study of single components and the following integration in a prototype PET detector for the EndoTOFPET-US system, a novel multimodal medical imaging tool. Combining PET and ultrasound (US), EndoTOFPET-US will allow the investigation of newly developed specific biomarkers for pancreatic and prostate tumors, and therefore improving the diagnosis capability. The EndoTOFPET-US system consists of an external PET plate in coincidence with a PET head mounted on an endoscopic US probe. The external PET detector has 4096 channels, each made of a silicon photomultiplier (SiPM) coupled to a scintillating crystal. A dedicated setup has been developed in order to characterize and assess the quality of each SiPM in a fast, reliable and automatic way. The precise determination of the SiPM properties is critical for the optimization of the detector performances. A mass characterization has been performed, obtaining all the relevant parameters for more than 4000 SiPMs and excluding few of them from the detector assembly due to the excessive noise. A similar mass characterization has been performed also on the combined system of SiPMs glued to the scintillating crystals. The light output for the 511 keV gamma has been measured for every detector channel: the average value obtained for all the 4096 channels allows to reach the demanding coincidence time resolution of 200 ps FWHM. Due to the limited number of pixels in the SiPM, the detector response is not linear to the energy deposited in the scintillator. A method has been derived to implement the energy calibration for all the channels, and therefore derive the energy resolution for the 511 keV gamma. The mean value obtained, about 13%, is enough for effective Compton rejection and it is within the detector specifications. After the quality assurance of the single components, the integration of two detector modules with the dedicated readout electronics has been tested. A first PET image of a double point radioactive source has been obtained. Finally, all the detector modules have been assembled in the first external plate prototype. After the functional tests and the energy calibration of the detector, the first coincidence data have acquired with a provisional PET-US probe. Then, this EndoTOFPET-US prototype has been commissioned on phantoms, achieving the first PET images for a free-hand PET system, an essential step before the incoming pre-clinical tests.

Diese Doktorarbeit befasst sich mit einer Charakterisierungsstudie zu Einzelkomponenten und deren Integration in einen Prototyp PET-Detektor für das EndoTOFPET-US-System, welches ein neuartiges, multimodales, medizinisches Bildgebungswerkzeug darstellt. Durch die Kombination von PET und Sonografie erlaubt das EndoTOFPET-US die Untersuchung von neu entwickelten, spezifischen Biomarkern für Pankreas- und Prostata-Tumore, und damit die Verbesserung der Diagnosem öglichkeiten. Das EndoTOFPET-US-System besteht aus einer externen PET-Platte und einem PET-Kopfteil, das auf eine endoskopische US-Sonde aufgesetzt wird. Der externe PET-Detektor verfügt über 4096 Kanäle, die aus jeweils einem Silizium-Photomultiplier (SiPM) bestehen, der gekoppelt ist mit einem szintillierenden Kristall. Ein spezieller Aufbau wurde entwickelt, um die Qualität jedes SiPM auf schnelle, zuverl ̈assige und automatische Weise zu charakterisieren und zu bewerten. Die genaue Bestimmung der Eigenschaften der SiPM ist entscheidend für die Optimierung der Detektorleistungen. Eine Massen-Charakterisierung wurde durchgeführt. So wurden die relevanten Parameter für mehr als 4000 SiPMs ermittelt. Einige von ihnen wurden von der Detektoranordnung aufgrund übermäßigen Lärms ausgeschlossen. Eine ähnliche Massen-Charakterisierung wurde auch beim kombinierten System der SiPMs durchgeführt, die mit den szintillierenden Kristallen verbunden sind. Die Lichtleistung von 511 keV Gamma wurde für jeden Detektorkanal gemessen. Der erhaltene Durchschnittswert für alle 4096 Kanäle ermöglicht es die gewünschte Einstimmung der Zeitauflösung von 200 ps FWHM zu erreichen. Aufgrund der begrenzten Anzahl der Pixel in der SiPM steht die Detektor-Antwort nicht in linearem Verhältnis zur abgegebenen Energie im Szintillator. Eine Methode wurde abgeleitet, um die Kalibrierung der Energie in allen Kanäle umzusetzen, wozu die Energieauflösung für die 511 keV Gamma abgeleitet wird. Der erhaltene Mittelwert von 13% reicht für die effektive Compton-Rejektion aus und befindet sich innerhalb der DetektorParameter. Nach der Qualitätssicherung der Einzelkomponenten wurde die Integration von zwei Detektormodulen mit der zugehörigen Ausleseelektronik getestet. Ein erstes PET-Bild mit einer radioaktiven Zwei-Punkt-Quelle wurde erhalten. Schließlich wurden alle Detektormodule in dem ersten externen Platten-Prototyp montiert. Nach dem Funktionstest und ̈der Energiekalibrierung des Detektors wurden die ersten Ubereinstimmungsdaten mit einer provisorischen PET-US-Sonde erworben. Dann wurde der EndoTOFPET-US-Prototyp in Auftrag gegeben. So wurden die ersten PET-Bilder für ein freih ändiges PET-System erhalten. Dies stellt einen wichtigen Schritt vor den prkälinischen Tests dar.