Characterisation of scintillation crystals for a mammography positron emission tomograph

Abstract

Breast cancer is one of the most frequent causes for premature death amongst women. To enhance the chances for complete recovery, the tumour shall be detected in a stage as early as possible. It is therefore necessary to develop efficient diagnostic means with high spatial resolution. In this focus, the Crystal Clear Collaboration develops a Positron Emission Tomograph dedicated to mammography: the ClearPEM. The development of such a new generation PET camera requires amongst others the development of small-sized crystals with high detection efficiency, high light output, good energy resolution and short decay time. Both Ce(3+)-doped Lu(1-x)Y(x)AP:Ce and LYSO:Ce crystals have these properties. They are therefore in the main focus of research. At CERN, the optical properties of crystals sent by collaboration partners are examined. This work compares the light yield, energy resolution and decay time characteristics of such crystals. Transmission and emission spectra of selected crystals are also presented. This information is used to determine the influence of the production method and the chemical composition on the crystals' scintillating properties.<br />The comparison of results from different batches allows optimising these parameters for production at an industrial scale.<br /> Quality assurance requires the mass produced crystals used for the construction of a PET to have a minimum light yield. Therefore, the light yield of a representative sample shall be tested. As the determination of this value on the classical measurement benches takes 90 minutes for a single crystal, a system for an automatic quality control is used. MiniACCOS, the Automatic Crystal COntrol System, is a computer-controlled machine which can process 100 crystals in twelve hours. This thesis also describes the hardware and software developed and compares results gained from production batches.<br />

Brustkrebs ist eine der häufigsten vorzeitigen Todesursachen bei Frauen. Um die Heilungschancen zu vergrössern, muss der Tumor so früh wie möglich entdeckt werden. Deshalb werden hochauflösende, effiziente bildgebende Verfahren für die Diagnose benötigt. Die Crystal Clear Collaboration entwickelt in diesem Blickwinkel einen auf die Mammographie spezialisierten Positronenemissionstomographen: den ClearPEM. Die Entwicklung einer solchen neuartigen PET Kamera verlangt unter anderem die Entwicklung kleiner Szintillationskristalle mit hoher Nachweiswahrscheinlichkeit für Gammastrahlung, hoher Lichtausbeute sowie guter Energie- und Zeitauflösung. Sowohl Ce(3+)-angereicherte Lu(1-x)Y(x)AP:Ce als auch LYSO:Ce-Kristalle besitzen diese Eigenschaften und werden bevorzugt behandelt. Am CERN werden die optischen Eigenschaften von Kristallen analysiert, welche durch Partnerinstitute und -firmen gezüchtet wurden. Die vorliegende Arbeit vergleicht die Lichtausbeute sowie die Energie- und Zeitauflösung einiger Kristalle. Die Absorptions- und Emissionsspektren ausgesuchter Kristalle werden ebenfalls vorgestellt. Die so gewonnene Information dient der Erforschung des Einflusses the Herstellungstechnik und der chemischen Zusammensetzung auf die Kristalleigenschaften. Der Vergleich von Kristallen verschiedener Herkunft erlaubt die Optimierung der Zuchtparameter fuer die industrielle Herstellung.<br />Eine Anforderung der Qualitätssicherung ist, dass alle Kristalle, die zum Bau eines PET verwendet werden, eine Mindestlichtausbeute haben sollen. Deshalb muss eine repräsentative Auswahl untersucht werden. Da die Messung der Lichtausbeute mit einer klassischen Messbank 90 Minuten pro Kristall benötigt, wurde dafuer eine Maschine entwickelt. MiniACCOS, das automatische Kristallkontrollsystem, ist eine rechnergesteuerte Maschine die 100 Kristalle in zwölf Stunden messen kann. Diese Diplomarbeit beschreibt auch die Hard- und Software von MiniACCOS und vergleicht Resultate verschiedener Produktionslose.<br />