Optimized PET module for both pixelated and monolithic scintillator crystals

Abstract

[eng] Time-of-Flight Positron Emission Tomography (TOF-PET) scanners demand fast and efficient photo-sensors and scintillators coupled to fast readout electronics. Nowadays, there are two main configurations regarding the scintillator crystal geometry: the segmented or pixelated and the monolithic approach. Depending on the cost, spatial resolution and time requirements of the PET module, one can choose between one or another. The pixelated crystal is the most extensive configuration on TOF-PET scanners as the coincidence time resolution is better compared to the monolithic. On the contrary, monolithic scintillator crystals for Time-of-Flight Positron Emission Tomography (ToF-PET) are increasing in popularity this last years due to their performance potential and price in front of the commonly used segmented crystals. On one hand, monolithic blocks allows to determine 3D information of the gamma-ray interaction inside the crystal, which enables the possibility to correct the parallax error (radial astigmatism) at off-center positions within a PET scanner, resulting in an improvement of the spatial resolution of the device. On the other hand, due to the simplicity during the crystal manufacturing process as well as for the detector design, the price is reduced compared to a regular pixelated detector. The thesis starts with the use of HRFlexToT, an ASIC developed in this group, as the readout electronics for measurements with single pixelated crystals coupled to different SiPMs. These measurements show an energy linearity error of 3% and an energy resolution below 10% of the 511 keV photopeak. Single Photon Time Resolution (SPTR) measurements performed using an FBK SiPM NUV-HD (4 mm x 4 mm pixel size) and a Hamamatsu SiPM S13360-3050CS gave a 141 ps and 167 ps FWHM respectively. Coincidence Time Resolution (CTR) measurements with small cross-section pixelated crystals (LFS crystal, 3 m x 3 mm x 20 mm ) coupled to a single Hamamatsu SiPM S13360-3050CS provides a CTR of 180 ps FWHM. Shorter crystals (LSO:Ce Ca 0.4%) coupled to a Hamamatsu S13360-3050CS SiPM or FBK-NUVHD yields a CTR of 117 ps and 119 ps respectively. Then, the results with different monolithic crystals and SiPM sensors using HRFlexToT ASIC will be presented. A Lutetium Fine Silicate (LFS) of 25 mm x 25 mm x 20 mm, a small LSO:Ce Ca 0.2% of 8 mm x 8 mm x 5 mm and a Lutetium-Yttrium Oxyorthosilicate (LYSO) of 25 mm x 25 mm x 10 mm has been experimentally tested. After subtracting the TDC contribution (82 ps FWHM), a coincidence time resolution of 244 ps FWHM for the small LFS crystal and 333 ps FWHM for the largest LFS one is reported. Additionally, a novel time calibration correction method for CTR improvement that involves a pico-second pulsed laser will be detailed. In the last part of the dissertation, a new developed simulation framework that will enable the cross-optimization of the whole PET system will be explained. It takes into consideration the photon physics interaction in the scintillator crystal, the sensor response (sensor size, pixel pitch, dead area, capacitance) and the readout electronics behavior (input impedance, noise, bandwidth, summation). This framework has allowed us to study a new promising approach that will help reducing the CTR parameter by segmenting a large area SiPM into "m" smaller SiPMs and then summing them to recover all the signal spread along these smaller sensors. A 15% improvement on time resolution is expected by segmenting a 4 mm x 4 mm single sensor into 9 sensors of 1.3 mm x 1.3 mm with respect to the case where no segmentation is applied.

[cat] Aquesta tesi tenia com a objectiu la fabricació i avaluació d'un prototip per a detecció de fotons gamma en aplicació per imatge mèdica, més concretament en Tomografia per Emissió de Positrons amb mesura de temps de vol (TOF-PET). L'avaluació del mòdul va començar fent una caracterització completa del chip (ASIC) anomenat HRFlexToT, una versió nova i millorada de l'antic chip FlexToT, desenvolupat i fabricat pel grup de la Unitat Tecnològica del ICC de la Universitat de Barcelona. Aquesta avaluació inicial del chip compren des de la comprovació de les funcionalitats bàsiques fins a la generació d'un test automàtic per generar les gràfiques de linealitat corresponents durant el test elèctric. Un cop donat per bo, es va muntar en una placa demostrada, també ideada per l'equip d'enginyers del grup, i ja quedava llesta per realitzar les mesures pertinents. Tot seguit, es varen realitzar les mesures òptiques, que incloïa mesures de Singe Photon Time Resolution (SPTR) i de Coincidence Time Resolution (CTR). Aquest valors actuen com a figures de mèrit a l'hora de comparar les prestacions amb d'altres ASICs competidors del HRFlexToT. Es van obtenir valors de 60 ps de resposta pel que respecta al SPTR i de 115 ps de CTR en cristalls segmentats, una millora entorn del 20-30% respecte a la versió predecessora del chip. Aquests valors mostren ser el límit de l'estat de l'art actual i amb aquesta idea es van començar a fer altres mesures, en aquest cas amb cristall monolítics, blocs grans llegits per diversos fotosensors de les empreses Hamamatsu i FBK. Per altra banda, es va provar el funcionament del ASIC en configuració anomenada monolítica, on el cristall centellejador s'utilitza en blocs grans en coptes d’emprar cristalls segmentats, això abarateix el cost total del detector. Aquesta configuració degrada les propietats de CTR, un paràmetre crític a l'hora de tenir un producte bo i eficient. S’han obtingut mesures de 250 ps de CTR amb aquesta configuració, d’on es pot dir que l’HRFlexToT es trobar a l’estat de l’art de la tecnologia electrònica dedicada a TOF-PET amb cristalls segmentats i monolítics. Finalment, es va desenvolupar una nova eina simulació que consisteix en un sistema híbrid entre un simulador físic i un electrònic per tal de tenir una idea del comportament complet del mòdul detector. Una solució que ningú havia provat fins ara o que no es pot trobar en la literatura.