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Development and performance studies of a small animal positron emission tomograph with individual crystal readout and depth of interaction information and studies of novel detector technologies in medical imaging [Elektronische Ressource] / Virginia C. Spanoudaki

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PHYSIK-DEPARTMENTDevelopmentandPerformanceStudiesofaSmallAnimalPositronEmissionTomographwithIndividualCrystalReadoutandDepthofInteractionInformationandStudiesofNovelDetectorTechnologiesinMedicalImagingDissertationvonVirginiaC.SpanoudakiTECHNISCHE UNIVERSITÄTMÜNCHENFakultätfürPhysikderTechnischenUniversitätMünchenPhysikDepartmentE18KlinikumrechtsderIsarderTechnischenUniversitätMünchenNuklearmedizinischeKlinikundPoliklinikDevelopmentandPerformanceStudiesofaSmallAnimalPositronEmissionTomographwithIndividualCrystalReadoutandDepthofInteractionInformationandStudiesofNovelDetectorTechnologiesinMedicalImagingVirginiaC.SpanoudakiVollständiger Abdruck der von der Fakultät für Physik der TechnischenUniversitätMünchenzurErlangungdesakademischenGradeseinesDoktorsderNaturwissenschaften(Dr. rer. nat.)genehmigtenDissertation.Vorsitzender: Univ. Prof. Dr. W.WeisePrüferderDissertation:1. Univ. Prof. Dr. St.Paul2. Univ. Prof. Dr. R.Senekowitsch SchmidtkeDie Dissertation wurde am 10. März 2008 bei der Technischen UniversitätMünchen eingereicht und durch die Fakultät für Physik am 2. April 2008angenommen.ThisworkisdedicatedtomysisterEiriniwhohasbeenandwillalwaysbethevoiceinmyheadtellingmetokeepgoingon...AderfoulaIloveyousomuch!AbstractThe Munich Avalanche Diode PET–II (MADPET–II) is a positron emission tomographaimedforradiopharmaceuticalstudiesinmiceandrats.

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Published 01 January 2008
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Language English
Document size 11 MB

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PHYSIK-DEPARTMENT
DevelopmentandPerformanceStudiesofa
SmallAnimalPositronEmissionTomograph
withIndividualCrystalReadoutandDepth
ofInteractionInformation
and
StudiesofNovelDetectorTechnologiesin
MedicalImaging
Dissertation
von
VirginiaC.Spanoudaki
TECHNISCHE UNIVERSITÄT
MÜNCHENFakultätfürPhysikderTechnischenUniversitätMünchen
PhysikDepartmentE18
KlinikumrechtsderIsarderTechnischenUniversitätMünchen
NuklearmedizinischeKlinikundPoliklinik
DevelopmentandPerformanceStudiesofaSmall
AnimalPositronEmissionTomographwithIndividual
CrystalReadoutandDepthofInteractionInformation
and
StudiesofNovelDetectorTechnologiesinMedical
Imaging
VirginiaC.Spanoudaki
Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Physik der Technischen
UniversitätMünchenzurErlangungdesakademischenGradeseines
DoktorsderNaturwissenschaften(Dr. rer. nat.)
genehmigtenDissertation.
Vorsitzender: Univ. Prof. Dr. W.Weise
PrüferderDissertation:
1. Univ. Prof. Dr. St.Paul
2. Univ. Prof. Dr. R.Senekowitsch Schmidtke
Die Dissertation wurde am 10. März 2008 bei der Technischen Universität
München eingereicht und durch die Fakultät für Physik am 2. April 2008
angenommen.ThisworkisdedicatedtomysisterEiriniwhohasbeenandwillalwaysbethevoiceinmyhead
tellingmetokeepgoingon...
AderfoulaIloveyousomuch!Abstract
The Munich Avalanche Diode PET–II (MADPET–II) is a positron emission tomograph
aimedforradiopharmaceuticalstudiesinmiceandrats. Thenoveldetectorarchitecture
of this system is based on readout of Lutetium Oxyorthosilicate (LSO) scintillation crys
tal arrays by Avalanche Photodiode (APD) arrays. In addition, a dual radial detector
layer allows for extraction of depth of interaction information, thus improving the spa
tialresolutionattheedgesofthefieldofview(FOV).Thescannercomprisesofatotalof
1152 LSO APD detectors which are processed individually by the same number of elec
tronicchannels,providingtimeandenergyinformationforeachchannel. Theindividual
crystal readout minimizes the system’s dead time and allows for detection of Compton
scatter events between the discrete crystal elements. The tomograph has a mean energy
resolutionof22%andatemporalresolutionof10ns(FWHM).Thedependenceofthese
values on various factors, such as the performance of signal processing electronics, the
temperature and the detector bias has been studied. A reconstructed spatial resolution
of 1.3 mm at the center of the FOV has been measured. Experimental results show a
good compromise between spatial resolution and sensitivity, which is expected to fur-
therimproveifintercrystalscatteristakenintoaccount. Apreliminaryassessmentofthe
tomographimagingcapabilityhasbeenrealizedbyperformingananimalscan.
PET/CT, which is currently implemented in clinical routine, combines two different
imaging modalities thereby measuring both, anatomical and functional information.
PET/MRisanalternativemultimodalimagingtechniquewhichprovideshighercontrast
in soft tissues while minimizing the radiation dose received by the patient. However, it
requires a more sophisticated detector design that does not create interference between
the two modalities. The feasibility of using silicon photomultipliers (SiPMs), a promis
ing new photodetector, in PET/MR has been investigated. Attractive features of these
devices are their high gain, their fast timing and their insensitivity to magnetic fields.
Experimentalresultswithsinglechanneldevicescoupledtoscintillationcrystalsexhibit
a comparable energy resolution and a superior time resolution compared to LSO APD
detectorsevenbyeliminatingtheneedforcomplicatedamplificationelectronics. Opera
tion under the presence of magnetic fields has not shown degradation of the mentioned
2performance. Adetectorconceptbasedon1×1mm scintillationcrystalscoupledindi
2vidually to arrays of 1×1 mm SiPMs is considered the appropriate approach for sub
millimeterresolutionPETimaging.Kurzfassung
Der MADPET II Tomograph (Munich Avalanche Diode PET II) ist ein Positronen
Emissions Tomograph,derfürStudienvonRadiopharmakaanMäusenundRattenaus
gelegtist. DerneuartigeDetektoraufbaudesSystemsbasiertaufeins zu einsKopplung
vonLutetiumOxyorthosilikat(LSO)KristallenundLawinen Photodioden(APDs). Eine
zusätzliche zweite radiale Detektorlage ermöglicht es, Informationen über die Tiefe der
Wechselwirkung von 511 keV Gammaquanten im Kristall (depth of interaction, DOI)
zugewinnen. HierdurchwirddieOrtsauflösungamRanddesGesichtsfeldesverbessert.
DerTomographbestehtaus1152unabhängigenLSO APDDetektoren,derenSignalevon
der gleichen Anzahl an selbstständigen elektronischen Kanälen prozessiert werden und
Information über Zeit und Energie jedes Ereignisses liefern. Diese Art der Auslese min
imiert Totzeiteffekte und bietet die Möglichkeit, Ereignisse zu identifizieren, die durch
Compton streuung zwischen Detektorelementen erzeugt werden. Der Scanner hat eine
mittlere Energieauflösung von 22%, eine Zeitauflösung von 10 ns (FWHM) und eine
rekonstruierteOrtsauflösungvon1.3mm. ExperimentelleErgebnissezeigeneinenguten
KompromisszwischenOrtsauflösungaufdereinenundEmpfindlichkeitaufderanderen
Seite. Eine erste Evaluierung der Bildgebungseigenschaften des Tomographen wurde
durcheineHerz AufnahmeeinerMausrealisiert.
Die klinisch etablierte PET/CT kombiniert zwei unterschiedliche Bildgebungsmodal
itäten und liefert dadurch sowohl funktionelle als auch anatomische Informatio
nen. PET/MR stellt ein alternatives multimodales Bildgebungsverfahren dar, welches
einen höheren Weichteil Kontrast erzielt und gleichzeitig die Patientendosis minimiert.
PET/MR benötigt allerdings ein technisch anspruchvolleres Detektordesign, welches
Interferenzen der beiden Modalitäten ausschließt. Die Realisierbarkeit der Verwen
dung von Silizium Photomultipliern (SiPM), welche einen neuen, vielversprechenden
Photodetektor Typ darstellen, in PET/MR wurde untersucht. Die Vorzüge dieser De
tektoren sind unter anderem ihre hohe Verstärkung, ihr schnelles Ansprechverhalten
und ihre Unempflindlichkeit gegenüber magnetischen Feldern. Experimentelle Unter-
suchungen von Einkanal SiPMs in Kombination mit Szintillationskristallen zeigen eine
zu LSO APD Detektoren vergleichbare Energie und eine bessere Zeitauflösung. Durch
diegenanntenVorzügederSiPMskannsogaraufeinekomplizierteelektronischeSignal
bearbeitung verzichtet werden. Beim Betrieb in Gegenwart magnetischer Felder wurde
keineBeeinflussungderLeistungvonSiPMsbeobachtet. EinDetektorKonzept,welches
2 2auf individueller Kopplung von 1×1 mm Szintillationskristallen an 1×1 mm SiPMs
basiert,wirdalsgeeigneterAnsatzfürPETimSubmillimeterBereicherachtet.ListofAbbreviations
ADC AnalogtoDigitalConverter
APD AvalanchePhotoDiode
ASIC ApplicationSpecificIntegratedCircuit
CCI ClockControlInterface
CFD ConstantFractionDiscriminator
CSP ChargeSensitivePreamplifier
CT ComputedTomography
DAC DigitaltoAnalogConverter
DAQ DataAcquisition
DOI DepthOfInteraction
EMI ElectroMagneticInterference
ENC EquivalentNoiseCharge
18 18F FDG F FluoroDeoxyGlucose
FIFO FirstInFirstOut
FOV FieldOfView
FPGA FieldProgrammableGateArray
FT FourierTransform
FWHM FullWidthatHalfMaximum
HPGND High PassGround
LOR LineOfResponse
LSO LutetiumOxyorthosilicate
LYSO LutetiumYttiumOxyorthosilicate
MADPET II MunichAvalancheDiodePET II
MCA Multi ChannelAnalyzer
MLEM MaximumLikelihoodExpectationMaximization
MRI MagneticResonanceImaging
MWPC Multi WireProportionalChamber
INIM NuclearInstrumentationModule
OSEM OrderedSubsetsExpectationMaximization
PDE PhotonDetectionEfficiency
PET PositronEmissionTomography
PMT PhotoMultiplierTube
PSF PointSpreadFunction
PVE PartialVolumeEffect
QE QuantumEfficiency
RF RadioFrequency
ROI RegionOfInterest
RSDP ReceiverShaperDiscriminatorPeakdetector
SiPM SiliconPhotoMultiplier
SNR SignaltoNoiseRatio
SPECT SinglePhotonEmissionTomography
TDC TimetoDigitalConverter
TOF TimeOfFlight
TOR TubeOfResponse
US UltraSound
II