Study of a positron emission mammograph

Abstract

Brustkrebs ist gegenwärtig eine der häufigsten Todesursachen bei Frauen. Bei jeder achten Frau wird im Laufe ihres Lebens mindestens einmal ein Tumor in der Brust diagnostiziert. Früherkennung ist ausschlaggebend für Genesung und Überleben der Patientin; deshalb ist es notwendig, ein Untersuchungsmethode mit hoher Ortsauflösung und Effizienz zur Verfügung zu haben.<br />In dieser Doktorarbeit werden zwei Aspekte eines speziell zur Mammographie bestimmten Positronenemissionstomographen behandelt, dem von der Crystal Clear Collaboration entwickelten ClearPEM.<br />Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit den experimentiellen Versuchen mit Szintillationskristallen, die den aktiven Bestandteil des Detektors darstellen. Der zweite Teil beschäftigt sich mit Computersimulationen sowohl des aktuellen Designs eines kompletten Systems als auch mögliche zukünftige Erweiterungen der Maschine, z.B.<br />einer Kombination des Mammographen mit einer Ultraschallsonde oder einem Vetozähler kombiniert werden.<br />Die entscheidenden Punkte zur Erreichung exzellenter Detektorleistung sind die Qualität der verwendeten Szintillatorkristalle und deren Eigenschaften, die der Anwendung angepasst sein müssen. Um die Szintillationseigenschaften verschiedener Kristalle zu verbessern, ist es wichtig diese Eigenschaften und ihre zugrunde liegenden Mechanismen besser zu verstehen. Das beinhaltet auch äußere Einflüsse des Produktionsprozesses.<br />Die Materialien dreier verschiedener Produzenten werden in Bezug auf Lichtausbeute, Abklingzeit und Transmission miteinander verglichen. Das nichtproportionale Energieverhalten und die intrinsische Energieauflösung werden ebenfalls abgehandelt.<br />Zusätzlich zu den schon erwähnten Eigenschaften spielt bei den Kristallen, die im Clear-PEM Verwendung finden, noch eine weitere Eigenschaft eine wichtige Rolle, nämlich die Ortsauflösung der Wechselwirkungstiefe des Gammaphotons im Kristall. Zwei Szintillationsmaterialien wurden daraufhin getestet, ob mit ihnen die erforderliche Auflösung der Wechselwirkungstiefe erreicht werden kann.<br />Auch der Einfluss der Beschaffenheit der Kristalloberfläche wird untersucht.<br />Die Positronenemissionstomographie besitzt zwei nicht unwesentliche Einschränkungen: Erstens können bei dieser Technik keine anatomischen Strukturen dargestellt werden, nur Informationen über den Zellstoffwechsel werden wiedergegeben. Um diese Hürde zu überwinden soll eine Ultraschallsonde in das ClearPEM-system integriert werden.<br />Zweitens kommt es durch die Anreicherung der anderen Organe des Körpers mit dem radioaktiven Indikator zu einer erhöhten Rate zufälliger Koinzidenzen im Detektor.<br />Vor allem Tumore in der Nähe der Brustwand und damit des Herzens können dadurch übersehen werden. Eine mögliche Lösung des Problems brächte ein Vetozähler oberhalb des Rückens der Patientin. In einer Reihe von Monte Carlo Simulationen lassen sich die positiven und negativen Aspekte notwendiger Änderungen der Detektorgeometrie erkennen, die der Einbau eines Ultraschallgerätes oder eines Vetozählers mit sich bringen würden.<br />

Today breast cancer is among the most common causes of death for women. One in eight women will develop a tumour in her breast at least once in her lifetime. An early detection of the cancer is crucial to the patient's survival and recovery. For early detection it is necessary to have an instrument with high spatial resolution and efficiency. The scope of this thesis is two aspects of a dedicated PET scanner for mammography developed by the Crystal Clear Collaboration, the ClearPEM.<br />The first half of the thesis deals with the experimental work on scintillation crystals which constitute the main part of the detector.<br />The second part looks into the design of the whole system and the possibility of future enhancements by adding an ultrasound probe and~/or a veto-counter. The effects of these changes are studied by employing simulation tools.<br />The key to excellent detector performance is to use scintillation crystals with properties best matched to the requirements of a given application. To better understand the scintillation characteristics of the crystals, how they are influenced by their production history and how to improve their properties, this study compares scintillation materials of three producers in respect to light yield, decay time and transmission characteristics. The non-proportional response to different photon energies and the intrinsic energy resolution of the scintillation crystals is also studied.<br />In addition to the already mentioned properties scintillation crystals for the ClearPEM detector have to be able to resolve the position of the interaction of the photon in the crystal with high precision. Two different scintillation materials are studied with the objective of reaching the necessary depth of interaction resolution. The influence of the surface condition on the depth of interaction resolution is also examined.<br />Two major constraints exist in PET imaging. A PET image shows only the metabolism of the cells in the patient, no morphological information can be obtained. For this purpose an ultrasound probe is going to be integrated into the ClearPEM system. The second issue is organ activity, which is especially relevant in breast imaging because of the closeness of the region of interest to the heart. This is the main source for random coincidences. A veto counter on the patient's back is proposed to reduce the random coincidence rate. A series of Monte Carlo simulations was performed which show the negative and positive changes in sensitivity caused by changes in the scanner geometry necessary to implement the ultrasound probe and random background reduction with the veto-counter.