Development of a PET module prototype toward 100 ps FWHM timing resolution

Abstract

Der Einsatz von Strahlungsdetektoren mit guter Zeitauflösung führt zu zahlreichen Innovationen in den Bereichen Hochenergiephysik (HEP) und medizinischer Physik. Eine der möglichen Anwendungen in dem Gebiet der medizinischen Physik ist die Positronen- Emissions-Tomographie (PET). PET ist ein funktionelles Bildgebungsverfahren, das 3D-Informationen über die Stoffwechselaktivität in einem lebenden Organismus liefern kann. Dazu wird dem Patienten ein Radiopharmakon injiziert, welches einem spezifischen metabolischen Ablauf folgt und ein Isotop enthält, das β+ Teilchen emittiert.Als Ergebnis des β+-Zerfalls annihiliert das Positron mit einem Elektron und es entstehen zwei gegenläufige Gammaphotonen mit einer Energie von 511 keV. Die Gammastrahlen werden mit Hilfe von Detektorblöcken, die ringförmig um den Patienten angeordnet sind und aus Szintillatoren, Photodetektoren und Ausleseelektronik bestehen, in Koinzidenz erfasst. Dies ermöglicht die Rekonstruktion einer Linie, entlang derer der Annihilationsprozess stattgefunden hat, diese wird Koinzidenzlinie (Line of Response, LOR) genannt. Nach der Erfassung vieler LORs ist die Rekonstruktion eines 3D-Bildes möglich. Die Lokalisierung der Elektron-Positron-Annihilation entlang einer LOR kann durch Messung der Zeitdifferenz zwischen der Detektion der beiden Photonen ermittelt werden. Die Genauigkeit dieser Flugzeitbestimmung (Time of Flight, TOF) wird durch die Koinzidenz Zeitauflösung (Coincidence Time Resolution, CTR) definiert. Bei der TOFPET Bildgebung ermöglicht diese Information eine Verbesserung des Signal-Rausch- Verhältnisses (Signal to Noise Ratio, SNR) und führt damit auch zu einer Verbesserung der Qualität des rekonstruierten Bildes. Diese Auflösung wird von allen Komponenten in der Detektorkette beeinflusst. Dadurch ist, um ihre Genauigkeit zu verbessern, eine sorgfältige Optimierung aller Detektorelemente erforderlich.Den aktuellen Stand der Technik bei kommerziell erhältlichen TOF-PET Systemen definieren der Biograph Vision PET/CT-Scanner von Siemens mit einer Zeitauflösung von 214 ps Halbwertsbreite (full width at half maximum, FWHM) und das Biograph Vision.X PET/CT System mit einer noch besseren CTR von 178 ps FWHM dank des Einsatzes von künstlicher Intelligenz. Eine so gute Zeitauflösung entspricht einer Ortsauflösung von 3 cm entlang der LOR. Allerdings erfordern eine Reihe von medizinischen Herausforderungen eine weitere Verbesserung der TOF-Präzision. Das Erreichen einer CTR von 100 ps FWHM bedeutet eine kürzere Untersuchungszeit oder eine geringere Strahlendosis, die der Patient erfährt. Das ultimative Ziel sind 10 ps FWHM, dies entspricht 1,5 mm räumlicher Auflösung und somit auch der Reichweite von Positronen. Dadurch wäre der tatsächliche Ort der Annihilation bekannt, was eine rekonstruktionsfreie Echtzeit-Bildgebung ermöglichen würde. Anorganische Szintillationskristalle wie Lutetium-Yttrium Oxyorthosilicat (LYSO) sind aufgrund ihrer hohen Lichtausbeute und schnellen Szintillationskinetik die erste Wahl für TOF-PET-Scanner. Angesichts der aktuellen Fortschritte bei der Entwicklung schneller Silizium Photomultiplier (SiPM) und schneller Ausleseelektronik stößt die zeitliche Auflösung dieser Szintillatoren jedoch an ihre Grenzen. Infolgedessen ist der Beitrag der Wechselwirkungstiefe (Depth of Interaction, DOI) eines Gammas im Szintillator auf die CTR nicht mehr vernachlässigbar. Dies ist besonders wichtig bei präklinischen und organspezifischen humanmedizinischen PET-Scannern, die eine hohe räumliche Auflösung und Sensitivität benötigen, um eine detaillierte Bildgebung und hohes SNR zu erreichen.In dieser Arbeit wird ein Detektorblock untersucht, bei dem ein Satz Kristalle mit matten Seitenflächen und einem darauf platzierten Lichtleiter verwendet werden, um eine Verteilung des Lichts zwischen benachbarten Kristallen zu ermöglichen. Diese Anordnung erlaubt die Herleitung von DOI-Informationen der Gammastrahlen. Dieser Ansatz wird auf eine Matrix aus 15 mm langen LYSO:Ce-Szintillatoren und den aktuell besten SiPMs angewandt, wobei sowohl speziell angefertigte als auch kommerziell erhältliche Ausleseelektronik verwendet werden. Die speziell angefertigte Auslesetechnik basiert auf dem NINO 32-Chip für die Zeitbestimmung, einem analogen Verstärker für die Energiemessung und digitalisiert jedes SiPM-Ausgangssignal mit einer Frequenz von 5 Gs/s. Mit diesem Aufbau und unter Verwendung der neuen Metal-in-TrenchSiPM-Technologie wird eine CTR von 170 ± 5 ps FWHM nach DOI-Korrektur erreicht, zusammen mit einer DOI-Auflösung von 2,5 ± 0,2 mm FWHM. Auf der anderen Seite bei Anwendung des PETsys TOFPET2 ASIC’s, eines kommerziell erhältlichen elektronischen Ausleseelektronik, wird eine CTR von 216 ± 6 ps FWHM und eine DOI-Auflösung von 2,6 ± 0,2 mm FWHM erreicht. Die PETsys TOFPET2 ASIC wurde zum Vergleich ausgewählt, um die Leistung des Detektors und seine Anwendbarkeit auf zukünftige skalierbare Systeme mit mehreren Tausend Kanälen zu bewerten. Darüber hinaus wurde eine selbst entwickelte 16-Kanal Elektronik getestet, welche rauscharm, energieeffizient und hochfrequent ist (Low-Noise Low-Power High-Frequency, LNLPHF), um durch einen noch niedrigeren Schwellenwert die Zeitauflösung zu verbessern.Dies ermöglicht die Erkennung der ersten aus der Kaskade erzeugten Photonen,wie z.B. Cherenkov-Photonen. Mit Kristallen von 20 mm Länge, einer in kommerziellen PET-Scannern üblichen Größe, erreicht der DOI-fähige Detektorblock eine beispielhafte CTR von 133 ± 2 ps FWHM, nach DOI-Korrektur. Vergleichsweise liegt die CTR des Standard-(nicht-DOI) Moduls gleicher Länge bei 130 ± 2 ps FWHM. Daraus lässt sich folgern, dass das DOI-fähige Konzept nicht nur eine ähnliche Zeitauflösung wie die Standardkonfiguration erreicht, sondern es hat auch den Vorteil, dass die DOI-Informationen abgerufen werden können, wodurch sich später Parallaxenfehler in Scannern korrigieren lassen.Der Vorteil der LNLPHF-Elektronik zeigt sich besonders bei Kristallen mit langsameren Szintillationsprofilen, bei denen jedoch aufgrund ihres hohen Refraktionsindexes einige wenige Cherenkov-Photonen erzeugt werden, wie z. B. bei Bismutgermanat (BGO) oder bei Szintillatoren mit hoher Photonendichte, wie z. B. bei Plastik. Die zeitliche Auflösung dieser Materialien hängt in hohem Maße von dem Schwellenwert ab, der zur Gewinnung der Zeitinformationen verwendet wird. Wenn 250 μm dicke Schichten aus BGO und Plastik abwechselnd in einem so genannten heterostrukturierten Konzept angeordnet sind, können die schnelle Szintillationsproduktion der Plastikkomponente und das hohe Stoppvermögen von BGO in einem Szintillator kombiniert werden. Außerdem kann die durch die Schichtungen bedingte Lichtabschwächung genutzt werden, um die DOI-Information mit Hilfe des Lichtleiters zu erhalten. Durch die Auswahl von Ereignissen, bei denen ein Teil der Energie zwischen den beiden Materialien geteilt wird und eine zeitliche Korrektur mithilfe der DOI-Informationen durchgeführt wird, wird eine CTR von 182 ± 6 ps FWHM mit einer Matrix aus 20 mm langen heterostrukturierten Szintillatoren erreicht. Dies stellt einen kostengünstigen Kompromiss zwischen guter Zeitauflösung und hoher Empfindlichkeit dar. Schließlich wird der DOI-fähige Detektorblock verwendet, um eine neue statistische Methode zu untersuchen, die erlaubt, den Kristall zu identifizieren, in dem die erste Wechselwirkung bei interkristallinen Streuereignissen (Inter Crystal Scattering, ICS) stattgefunden hat. Diese Ereignisse verschlechtern die räumliche Auflösung, wenn sie nicht in geeigneter Weise behandelt werden. Die Beseitigung der Ambiguität bei der Bestimmung des Kristalls der ersten Wechselwirkung könnte die Definition der LOR und damit die räumliche Auflösung verbessern. Wenn die erwartete Ladungsverteilung über alle Fotodetektoren als Funktion von DOI und Energieabgabe aus früheren Kalibrierungsverfahren bekannt ist, können diese Informationen verwendet werden, um die wahrscheinlichsten Gammastrahlen-Wechselwirkungspunkte übermehrere Kristalle hinweg abzuschätzen und den ersten Wechselwirkungskristall genau zu identifizieren. Diese statistische Methode wird mithilfe von Geant4 Monte-Carlo-Simulationen getestet, und erweist sich als zu über 85% genau und sagt den DOI mit einer Auflösung von 4,5 mm FWHM voraus. Dieser Ansatz stellt eine neue Art dar um die räumliche Auflösung von ICS Ereignissen für die Bildrekonstruktion zu optimieren.

Fast-timing radiation detectors are leading to numerous innovations in the fields of high energy physics (HEP) and medical physics. One of the possible applications in the field of medical physics is positron emission tomography (PET). PET is a functional imaging technique able to provide 3D information on the metabolic activity in a livingorganism. To achieve this, a β+-emitting isotope embedded in a drug that follows a specific metabolic pathway is injected into the patient. As a result of the β+ decay, the positron annihilates with an electron, and two back-to-back gamma photons of 511 keVenergy are produced. The gammas are detected in coincidence using detector blocksplaced around the patient and organized in rings, made of scintillators, photodetectors,and readout electronics. They allow for the reconstruction of the line along which the annihilation process took place, called line of response (LOR). After the accumulationof many LORs, the reconstruction of a 3D image is possible.The localization of the electron-positron annihilation along a LOR can be obtained by measuring the time difference between the detection of the two photons, known as time of flight (TOF), whose accuracy is defined by the coincidence time resolution(CTR). In TOF-PET this information allows to improve the signal-to-noise ratio (SNR) and therefore the quality of the reconstructed image. This resolution is affected by allcomponents in the detector chain and, hence, to improve its performance, a careful optimization of all detector elements is needed.The current state-of-the-art CTRs for commercially available PET scanners were set by the Siemens Biograph Vision PET/CT scanner, with a time resolution of 214 ps fullwidth-at-half-maximum (FWHM), and the Biograph Vision.X PET/CT system, with aeven better time resolution of 178 ps FWHM thanks to the use of artificial intelligence.Such a good time resolution already leads to a 3 cm spatial resolution along the LOR.Nonetheless, a number of medical challenges call for a further improvement in TOFprecision of TOF-PET scanners. Achieving a CTR of 100 ps FWHM translates to a shorter examination time or a lower radioactive dosage administered to the patient. The ultimate goal is to reach 10 ps FWHM, which translates to 1.5 mm spatial resolution and also corresponds to the range of the positron. This level of precision would provide the true space points of positron annihilation, enabling reconstruction-less imaging.Scintillating inorganic crystals like lutetium–yttrium oxyorthosilicate (LYSO) represent the best scintillator for TOF-PET scanners, owing to their high light yield and fastscintillation kinetics. With new advancements in silicon photomultiplier (SiPM) technologies and electronics readouts, the timing performance of this scintillator is pushed to its limit. As a consequence, the depth of interaction (DOI) of a gamma inside the scintillator and its contribution to the CTR are no longer negligible. This is particularly important in preclinical and organ-dedicated human PET scanners, which require high spatial resolution and sensitivity to achieve detailed imaging and high SNR.This thesis investigates a detector block made of a set of crystals with depolished lateral surfaces together with a light guide placed on top of it to enable light sharing between neighboring crystals, and thus allow for the extraction of DOI information ofgamma rays. This approach is applied to a matrix of 15 mm long LYSO:Ce scintillators and the most advanced SiPMs available, using both custom-made and commercially available electronic readout systems. The custom-made readout is based on the NINO32-chip used for time extraction and on an analog amplifier for energy extraction. The readout processes each SiPM output signal of the array, which is later digitized witha sampling rate of 5 GS/s. With this setup and using the new Metal-in-Trench SiPMtechnology, a CTR of 170 ± 5 ps FWHM is achieved after DOI correction, along with a DOI resolution of 2.5 ± 0.2 mm FWHM. On the other hand, using the PETsys TOFPET2ASIC, a commercially available electronic readout, a CTR of 216 ± 6 ps FWHMand a DOI resolution of 2.6 ± 0.2 mm FWHM are obtained. The PETsys TOFPET2ASIC readout is chosen for comparison to assess the detector’s performance and applicability to future scalable systems of several thousands of channels.In addition, a custom-made and sixteen-channel low-noise, low-power, high-frequency(LNLPHF) board is tested to further enhance the time resolution by making use of alower leading-edge threshold that allows the detection of the earliest photons produced,such as Cherenkov photons. Using 20 mm long crystals, commonly used in commercialPET scanners, the DOI-capable detector block achieves a new benchmark CTR of133 ± 2 ps FWHM after DOI correction. For comparison, the CTR of the standard(non-DOI) module of the same length is 130 ± 2 ps FWHM. Thus, the DOI-capable concept not only achieves similar performance as the standard configuration but also has the benefit of retrieving the DOI information, which can later be used to correct parallax errors in scanners.The merits of the LNLPHF board become particularly visible in crystals with slow scintillation profiles where, however, few Cherenkov photons are produced owing tothese crystals’ high refractive index, such as in bismuth germanate (BGO) or in scintillators with high photon density, such as in plastic. In fact, the timing resolution of these materials crucially depends on the threshold applied to extract the time information.If 250 μm thick layers of BGO and plastic scintillators are alternately stacked,in the so-called heterostructure concept, the fast scintillation production of the plastic and the high stopping power of BGO can be combined in one ”crystal”, and the light attenuation due to the stratification of the layers be used to retrieve the DOI information by means of a light sharing mechanism. Selecting events where part of the energyis shared between the two materials and using the DOI information for time correction,a CTR of 182 ± 6 ps FWHM is achieved with a matrix of 20 mm long heterostructured scintillators. This approach offers a cost-effective compromise between adequate timeresolution and high sensitivity.IIFinally, the DOI-capable detector block is used to explore a new statistical method designed to identify the first crystal-of-interaction in the stack in the case of intercrystalscatter (ICS) events. These events, in which gamma rays interact with multiple crystals, degrade spatial resolution if not properly addressed. Removing the ambiguity in the determination of the crystal of the first interaction could improve LORdelineation and therefore spatial resolution. If the expected charge distribution across all photodetectors, as a function of DOI and energy deposition, is known from priorcalibration procedures, the information can be used to estimate the most probable gamma-ray interaction points across multiple crystals and accurately identify the first crystal of interaction. The statistical method is tested using Geant4 Monte-Carlo simulations and proves to be accurate to better than 85% and predicts a DOI resolution of4.5 mm FWHM. This approach offers a novel strategy to enhance the spatial resolution of ICS events used for image reconstruction.