Detectors for Functional Medical Imaging

Abstract

The work in this thesis deals with two functional medical imaging methods, i.e. positron emission tomography (PET) and X-ray fluorescence imaging (XFI). More specifically, this thesis comprises the commissioning, optimization and simulation of an asymmetric time-of-flight positron emission tomography (TOFPET) prototype within the EndoTOFPET-US (Endoscopic Time-of-Flight Positron Emission Tomography Ultrasound) project as well as the proposition and simulation of several reconstruction methods for X-ray fluorescence imaging. The EndoTOFPET-US project aims to develop a multimodal endoscopic imaging device combining ultrasound (US) and positron emission tomography (PET). Application areas of the EndoTOFPET-US detector are within image-guided surgery and biopsy, diagnostics as well as development of new biomarkers for pancreas and prostate carcinoma. It consists of an external plate that is positioned in close proximity to the patient and an endoscopic probe comprised of a miniaturized PET detector mounted on an US endoscope. The external plate includes a total of 4096 single channels, each made up of a LYSO (lutetium-yttrium oxyorthosilicate) scintillator crystal optically coupled to a silicon photomultiplier (SiPM). The commissioning of the external plate is performed in terms of maintenance, calibration, slow control implementation and coincidence time resolution (CTR) optimization. Several automated procedures for the calibration of the external plate are developed and the cooling of the external plate is improved via mechanical repositioning and rerouting of some electronic components. An automated online CTR optimization is set up for optimizing the CTR of each channel individually in the external plate in coincidence with a spare module of the external plate. This is necessary to achieve the best possible results in terms of image quality with the EndoTOFPET-US detector. Furthermore, an endoscopic PET detector prototype consisting of 64 channels with size close to the original design is constructed and its time resolution is optimized. An overall system CTR of 255 ps is achieved. After the commissioning and optimization of the setup, first data acquisition with a fully functional and optimized EndoTOFPET-US prototype is performed. A point-like sodium-22 (22Na) source is used in the data acquisition. The spatial resolution achieved with a point-like source is _1.4 mm parallel to the detector surfaces and _7.0-9.0 mm orthogonal to the detector surfaces, depending on the detector distance and the distance of the source to the endoscopic PET detector. In order to perform more complex measurements in a controlled environment, a simulation of the EndoTOFPET-US prototype is developed with GAMOS (Geant4-based Architecture for Medicine-Oriented Simulations). It is verified that the simulation fully represents the prototype by replicating the measurements performed and comparing the spatial resolution results. After this verification, application specific simulations using the NEMA IEC Body Phantom SetTM are developed and implemented. The simulation design intends to determine the quantitative and qualitative image quality of the EndoTOFPETUS prototype and to be easily reproduced in a lab at a later stage. It is shown that a hot volume can be identified inside a warm background down to a signal-to-background ratio of 3:1. The image quality as a function of detector CTR is studied and co-registration to an existing PET image acquired with two conventional PET detectors is demonstrated. A detailed sensitivity study of the detector is performed. X-ray fluorescence imaging (XFI) is newly emerging in the field of functional medical imaging and can potentially be used to reconstruct the 3D concentration of metallic compounds (e.g. platinum containing anti-cancer drugs) in-vivo. Four possible imaging and reconstruction methods are proposed for XFI in this thesis: collimated detector reconstruction, fluorescence photon flux reconstruction, timing based reconstruction and X-ray fluorescence tomography (XFT). Each of the proposed imaging methods utilizes an X-ray pencil beam with small energy bandwidth. The timing-based imaging approach and XFT are tested in terms of feasibility by means of simulations that are performed with GAMOS. The X-ray source is in approximation modeled after a possible laser-driven Thomson source. Only gold is used as active imaging component. Although the timing-based imaging approach works, it requires outstanding detector properties to achieve acceptable results (i.e. time resolution <30 ps at 70 keV photon energies). XFT shows promising results. It is shown that a millimeter sized object with a gold concentration of 500 μg/mL can be visualized with high precision inside a water phantom similar in size to a small rodent.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit zwei medizinischen Bildgebungmethoden, i.e. Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und Röntgenfluoreszenz-Bildgebung (XFI). Genauer, beinhaltet die vorliegende Arbeit die Inbetriebnahme, Optimierung und Simulation eines neuartigen multimodalen Bildgebungssystems mit Ultraschall-Endoskopie (US) und Positronen-Emissions-Tomographie (PET) im Rahmen des EndoTOFPET-US (Endoscopic Time-of-Flight Positron Emission Tomography Ultrasound) Projekts sowie Ideen zu und Simulation von verschiedenen Rekonstruktionsmethoden für die Röntgenfluoreszenz-Bildgebung. Das Detektorsystem im Rahmen des EndoTOFPET-US Projekts soll für bildgestützte Operationen und Biopsien, Diagnostik sowie Entwicklung neuer Biomarker für Prostata- und Bauchspeicheldrüsenkrebs in der Onkologie eingesetzt werden. Es besteht aus einer externen Detektorplatte und einer kleinen endoskopischen Detektorprobe. Während der Anwendung wird die externe Platte in unmittelbarer Nähe des Patienten platziert, während die Probe auf einem Ultraschallendoskop befestigt sein wird. Die externe Platte beinhaltet 4096 Kanäle, von denen jeder aus einem LYSO (lutetium-yttriumoxyorthosilicat) Szintillator besteht, der optisch an einen Silizium Photomultiplier (SiPM) gekoppelt ist. Die Inbetriebnahme der externen Platte beinhaltet die Wartung, Kalibrierung, Implementierung von langsam ablaufenden Regelprozessen (z.B. Kühlung) und die Optimierung der Koinzidenz-Zeitauflösung (CTR) jedes einzelnen Kanals. Die Kalibrierung ist automatisiert worden. Die Betriebstemperatur in der externen Platte ist reduziert worden, indem einige der elektronischen Bauteile neu positioniert und Verbindungen umgeleitet worden sind. Es ist eine automatische online Optimierung entwickelt worden, welche eine individuelle Optimierung der CTR für jeden Kanal durchführt. Eine individuelle Optimierung ist notwendig, um die bestmögliche durchschnittliche CTR in der externen Platte zu erreichen. Ein Prototyp für die endoskopische Detektorprobe ist konstruiert und in Bezug auf die CTR optimiert worden, was zu einer CTR von 255 ps geführt hat. Nach der Inbetriebnahme und Optimierung des EndoTOFPETUS Prototyps sind erste Messungen mit einer punktförmigen radioaktiven Quelle (Natrium-22, 22Na) Quelle vorgenommen worden und dabei Ortsauflösung des Prototyps bestimmt worden. Die Ortsauflösung beträgt _1.4 mm in der Ebene parallel zu den Detektoroberflächen und _7.0-9.0 mm orthogonal zu den Detektoroberflächen. Die Ortsauflösung orthogonal zu den Detektoroberflächen hängt von der Entfernung der Detekoren zueinander und der Entfernung der radioaktiven Quelle zur endoskopischen Detektorprobe ab. Eine Simulation des EndoTOFPET-US Prototyps ist entwickelt worden in GAMOS, einem Geant4-basierten Simulationsprogramm, um komplexere Messungen in einer kontrollierten Umgebung durchführen zu können. Zunächst ist sichergestellt worden, dass die Simulation den Prototyp korrekt repräsentiert. Dafür sind die bereits durchgeführten Messungen in der Simulation wiederholt und beide Ergebnisse miteinander verglichen worden. Die Simulation und Messung des EndoTOFPET-US Prototyps stimmen vollständig überein, weshalb nachfolgend anwendungsbezogene Simulationsszenarien mit dem NEMA IEC Body Phantom SetTM entwickelt worden sind. Die Simulationsszenarien sind so konstruiert worden, dass sie ohne großen Aufwand in einem Labor wiederholt werden können. Die Simulationen zeigen, dass ein heißes Objekt in einem warmen Hintergrund bis zu einem Signal-Hintergrund-Verhältnis von 3:1 identifiziert werden kann. Darüber hinaus ist die qualitative und quantitative Bildqualität in Abhängigkeit von der CTR untersucht und die Co-Registrierung eines EndoTOFPET-US Bildes mit einen von zwei konventionellen PET Detektoren aufgenommenem Bild demonstriert worden. Zusätzlich ist die Sensitivität des EndoTOFPET-US Detektors detailliert untersucht worden. Röntgenfluoreszenz-Bildgebung (XFI) ist ein Bildgebungsverfahren, welches nach und nach mehr Aufmerksamkeit im Bereich der funktionalen medizinischen Bildgebung erhält. Es kann genutzt werden, um metallische Verbindungen (z.B. Platin beinhaltende Krebsmedikamente) in-vivo 3D zu rekonstruieren. Es werden vier unterschiedliche Bildgebungs- und Rekonstruktionsverfahren für XFI vorgeschlagen: kollimierte Detektorenmethode, Fluoreszenz-Photonen-Fluss-Methode, zeitbasierte Methode und Röntgenfluoreszenz-Tomographie (XFT). Jede dieser Bildgebungsmethoden verwendet einen gebündelten Röntgenstrahl mit einer geringen Energiebandbreite. Die zeitbasierte Methode und XFT werden mit Hilfe einer Simulation in GAMOS auf Durchführbarkeit getestet. Die Röntgenquelle ist dabei dem Röntgenstrahl einer Laser angetriebenen Thomson-Quelle (in Näherung) nachempfunden. Gold ist dabei ausschließlich als aktive Bildgebungskomponente verwendet worden. Die zeitbasierte Bildgebung ist möglich, benötigt jedoch für akzeptable Ergebnisse außergewöhlich gute Detekoreigenschaften (d.h. Zeitauflösung <30 ps bei einer Photonenenergie von 70 keV). XFT weist vielversprechende Ergebnisse auf. Es wird gezeigt, dass ein Objekt, das wenige Millimeter groß ist und eine 500 μg/mL Goldkonzentration beinhaltet, mit großer Präzision innerhalb eines Wasserphantoms in der Größe eines kleinen Nagetieres visualisiert werden kann.