[論文レビュー] Characterization of TOF-PET Detectors Based on Monolithic Blocks and ASIC-Readout

Efthymios Lamprou, Andrea Gonzalez‐Montoro+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2018

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、SiPMアレイに接続されたモノリシック LYSO シンチレーター・ブロック用に、独自のASICベースの読み出しシステムを提案し、高度なタイムスタンプ補正と信号平均化を用いて、585 ps FWHM の一致時間分解能（CTR）を達成した。この手法により、時間ウォークと信号経路のばらつきを低減することで、時間分解能が顕著に向上し、高精度なタイムオブフライト（TOF）PET画像化への強い可能性を示している。

ABSTRACT

The aim of this work is to show the potential capabilities of monolithic crystals coupled to large SiPM arrays, to be considered as detector blocks for PET scanners enabling Time Of Flight (TOF) capabilities. Monolithic blocks allow one to decode the 3D photon impact position. This approach, along with TOF information, can be of high interest in clinical Positron emission tomography (PET) applications where a typical ring configuration is used. In this manuscript, we evaluate an ASIC- based readout for digitizing all signals coming from analog photosensors. Validation results with one-to-one coupling resulted in a Coincidence Time Resolution (CTR) of 202 ps FWHM. Providing timing resolution when using detectors based on monolithic crystals is however challenging. The wide distribution of scintillation light on the photosensors causes a poor SNR, which makes the system sensible to false triggering and to time walk errors. In this direction, we present a calibration method, designed to correct all recorded timestamps and also to compensate variations in time-paths among all channels. Thereafter, a CTR improvement nearing 45% is observed for all measurements. Moreover, we show a novel approach that describes the use of averaging methods to assign a single timestamp to each gamma impact. This approach results in a further improvement of the CTR in the range of 100 ps FWHM, reaching a time resolution of 585 ps FWHM when using a large 50x50x10 mm3 LYSO scintillator coupled to an 8x8 SiPM (6x6 mm2) array. These pilot studies show detector capabilities regarding TOF information when using monolithic scintillators.

研究の動機と目的

• モノリシックシンチレーター・ブロックと SiPM アレイを組み合わせたタイムオブフライト（TOF）PET検出器の実現可能性を評価すること。
• モノリシック結晶における光の拡散と信号経路のばらつきによって引き起こされる時間分解能の課題を解決すること。
• チャネル間の時間パス差を補正するタイムスタンプ誤差補正法を開発・検証すること。
• ガンマ線イベントの局所化に適した、信号平均化技術を用いて一致時間分解能（CTR）を向上させること。
• 本システムが臨床用 TOF-PET 応用に向け、高い空間分解能と時間分解能を実現する可能性を示すこと。

提案手法

• 50×50×10 mm³ の大型 LYSO モノリシックシンチレーターを、8×8 の SiPM アレイ（1ピクセル 6×6 mm²）に接続し、ガンマ線検出を実施。
• 全 SiPM チャネルの信号を並列にデジタル化する ASIC ベースの読み出しシステムを採用。
• 記録されたタイムスタンプを補正し、チャネル間の時間パス差を補償する補正法を適用。
• 1つのガンマ線相互作用イベントに対して、最適化された1つのタイムスタンプを割り当てる信号平均化アプローチを実装。
• シンチレーターと SiPM アレイを1対1で接続することで、ベースライン性能を検証。
• 一致測定を用いて CTR を測定し、補正および平均化処理後の改善効果を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ASICベースの読み出しと信号処理を組み合わせた場合、モノリシックシンチレーター・ブロックと SiPM アレイを用いて、600 ps 未満の CTR を達成できるか？
• RQ2 タイムスタンプ補正は、モノリシック TOF-PET 検出器における時間ウォークとチャネル間時間ばらつきをどれほど効果的に低減できるか？
• RQ3 SiPM に広がる光の拡散を持つ検出器において、信号平均化は CTR をどの程度向上させるか？
• RQ4 光分布は、SNR と誤動作発生にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 提案された補正および平均化手法は、他のモノリシックシンチレーター構成にも一般化可能か？

主な発見

• 1対1接続によるベースライン CTR は、補正を施す前でも 202 ps FWHM であった。
• 提案された補正法により、全測定において CTR が約45%向上し、時間ジッタが低減した。
• 信号平均化によりさらなる CTR の向上が達成され、大型 50×50×10 mm³ LYSO ブロックを用いて最終的な分解能が 585 ps FWHM に達した。
• 補正法は、時間パス差の補償と時間ウォーク効果の低減に効果的に機能した。
• 補正と平均化の組み合わせにより、モノリシック検出器における3次元位置局所化に向けた、堅牢で高精度な時間測定が可能になった。
• 本結果は、ASIC 読み出しを用いたモノリシックシンチレーターが、高精度 TOF-PET システムに適していることを裏付けた。