[論文レビュー] Expected performance of the TT-PET scanner

E. Ripiccini, D. Hayakawa+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2018

Medical Imaging Techniques and Applications参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、30 ps RMS時間分解能と0.5×0.5×0.2 mm³の粒度を有するモノリシックシリコンピクセル検出器を用いた、小動物イメージング向けの時間飛行（TOF）PETシステムであるTT-PETスキャナの設計およびモンテカルロシミュレーションを提示する。スキャナは空間分解能が1 mm未塔（FWHM < 0.75 mm）であり、75 MBqで0.1%未塔の損失を示す高いカウントレート能力を有し、TOF再構成により顕著な画像品質の向上を達成する。

ABSTRACT

The TT-PET collaboration is developing a small animal TOF-PET scanner based on silicon detectors featuring 30 ps RMS time resolution and intended to be inserted in an existing MRI scanner. The TT-PET scanner makes use of a stack of layers of high-Z photon-converter and 100 $\mathrm{μm}$ thick silicon sensors, to achieve a scanner with 0.5 $\mathrm{ imes}$ 0.5 $\mathrm{ imes}$ 0.2 $\mathrm{mm^{3}}$ granularity, with precise depth-of-interaction measurement. In this paper we present the results of the Monte Carlo studies for the expected data rate, time resolution on the TOF measurements, spatial resolution and image reconstruction with and without the use of the timing information. Most of the studies have been performed according to the international standards used to assess the performance of small-animal PET system.

研究の動機と目的

• 既存のMRIスキャナに統合可能な高分解能TOF-PETインサートの開発。
• 高粒度シリコンピクセル検出器と正確な深さ方向情報測定を用いたサブミリメートル空間分解能の達成。
• モンテカルロシミュレーションを用いて511 keVガンマ線の検出効率と時間分解能を最適化。
• 75 MBqの活性度まで0.1%未塔のカウント損失を維持する高データレート動作の実現。
• CASToRフレームワークを用いた時間飛行再構成により、画像品質の向上を実証。

提案手法

• 16個の楔型タワーを有する円筒形PETスキャナを設計し、各タワーには高Z光子変換器と100 µm厚のシリコンセンサが60層積層されている。
• 0.5×0.5 mm²ピクセル分割と20 ps時間チャンクを有するモノリシックシリコンASICを用い、高時間分解能と低消費電力（20 mW/cm²）を実現。
• スーパーモジュール、ローカルバッファ、シリアルデータリンク（50 Mbps）を備えた階層的読み出しアーキテクチャを実装し、信号処理を効率化。
• 最大の511 keVガンマ線検出効率を得るために、層厚と材料組成を最適化するためモンテカルロシミュレーションを実施。
• 2次元FBPとTOFフィルタリングを用いたCASToR再構成フレームワークを用い、空間分解能と画像品質を評価。
• 180 GeVのパイオングレートビームを用いて時間分解能を測定し、22Na源を用いたテストにより性能を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小イオン化粒子に対して30 ps RMS分解能を示す場合、511 keV光子の期待時間分解能はどの程度か？
• RQ2 シリコン検出器アレイの3次元粒度は、視野全域における空間分解能にどのように影響するか？
• RQ3 0.1%未塔のカウント損失を維持できる最大データレートは何か？
• RQ4 Derenzoパテーンにおいて、時間飛行再構成は信号対雑音比をどの程度向上させるか？
• RQ5 空間分解能性能は、径方向、接線方向、軸方向において均一に保たれるか？

主な発見

• 511 keV光子の期待時間分解能は24 ps RMSであり、最小イオン化粒子の30 psベースラインから導出される。
• スキャナは視野の横断的領域において、径方向に0.56–0.59 mm FWHM、接線方向に0.60–0.71 mm FWHMの空間分解能を達成した。
• 軸方向の空間分解能は0.45–0.51 mm FWHMで安定しており、全方向でFWTM値が1.2 mm未塔であった。
• 75 MBqの活性度でさえもカウント損失が0.1%未塔に保たれ、高レート動作能力を示した。
• TOF再構成によりDerenzoパテーンの信号対雑音比が顕著に向上し、視覚的および定量的比較で確認された。
• マルチレイヤーの深さ方向情報設計のおかげで、高径方向位置でも顕著な分解能劣化がなく、視野全域で均一な空間分解能性能を示した。