[論文レビュー] Study of Micro Pixel Photon Counter for the Application to Positron Emission Tomography

N. d’Ascenzo, E. Garutti+3 more|ArXiv.org|May 5, 2008

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、陽電子放射断層撮影（PET）の高分解能読み出しとしてのマイクロピクセルフォトンカウンター（MPPC）の評価を行い、LSOおよびLFSシンチレーターをMPPCに直接接続することで、10%のエネルギー分解能（FWHM）および647±3 psの一致時間分解能を達成した。MPPCは静的磁場に対して不感であり、青色スペクトル感度が高いため、TOF-PETおよびMR-PET統合に最適であり、従来のフォトマルチプライヤー管の代わりに簡素でスケーラブルな代替手段を提供する。

ABSTRACT

The main challenges posed by the design of future Positron Emission Tomography machines are the improvement of the spatial and timing resolution and the combined operation with magnetic resonance. The Micro Pixel Photon Counter by Hamamatsu is a good candidate for this application. Its small size (down to 1 mm2) and the high photo-detection efficiency in the blue spectral region allow the direct readout of a highly segmented scintillator matrix improving the spatial resolution of the machine. Furthermore, this photo-detector is insensitive to static magnetic fields up to 5 T, which makes it a possible candidate for applications in a magnetic resonance environment, though tests in a fast changing gradient field need still to be performed. The aim of this study is the characterization of a system composed by a scintillator crystal readout via a MPPC. Crystals of 1x1x15 mm3 and 3x3x15 mm3 are directly coupled to a MPPC of the same size active area and the energy resolution at 511 keV is measured. The coincidence time resolution of two so assembled detector units is measured. A first comparison of the performances of LSO and LFS crystals is given.

研究の動機と目的

• 次世代PETスキャナ用の読み出しソリューションとしてのマイクロピクセルフォトンカウンター（MPPC）の性能を評価すること。
• 直接読み出し構成におけるMPPC搭載LSOおよびLFSシンチレーターのエネルギー分解能および時間分解能を評価すること。
• 静的磁場に対して不感であるMPPCの特性を活かして、PET/MR統合システムへの応用可能性を検討すること。
• 個々の結晶を読み出すMPPCを用いたスケーラブルで高分解能のPETシステムの基盤を確立すること。

提案手法

• 1×1 mm²および3×3 mm²のMPPCを1×1×15 mm³および3×3×15 mm³のLSOおよびLFSシンチレーター結晶に直接結合する。
• キャリブレーション済みの²²Na放射源を用いて511 keVにおけるエネルギー分解能を測定し、パルス高分析を実施する。
• 時間超過閾値法を用い、2つの同一の検出器ユニットを用いて時間差分布のガウスフィッティングにより一致時間分解能を測定する。
• コンプトン散乱事象を低減するために、511 keVのフォトエレクトリックピーク周辺のエネルギーカットを適用する。
• 固定振幅閾値を系統的に変化させ、時間分解能性能に与える影響を調査する。
• オシロスコープ波形を用いて、振幅が低く、立ち上がり時間が遅いことからコンプトン散乱事象を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MPPCは、小型で高セグメンテーションなLSOおよびLFSシンチレーターを直接読み取ることで、10%未満のエネルギー分解能を達成できるか？
• RQ2 MPPC読み出しシンチレーターを用いた二重検出器系の一致時間分解能は何か？また、エネルギーベースのイベント選別によってどのように改善されるか？
• RQ3 コンプトン散乱光子は時間分解能をどの程度悪化させるか？また、エネルギーフィルタリングによってこれを緩和できるか？
• RQ4 固定振幅閾値の選択が、一致測定における時間分解能に与える影響は何か？
• RQ5 MPPCは、従来のフォトマルチプライヤー管と比較して、簡素でスケーラブルかつMR対応のPET設計を可能にするか？

主な発見

• 3×3×15 mm³のLSO結晶を3×3 mm²のMPPCで読み取った場合、511 keVにおけるエネルギー分解能は10% FWHMに達した。
• 同じ構成における一致時間分解能は647±3 ps FWHMで測定され、511 keVフォトエレクトリックピークの±1σ内に位置するイベントを選別することで、320 psに改善された。
• 振幅が低く、立ち上がり時間が遅いことから同定できるコンプトン散乱光子は、時間分解能を著しく悪化させ、主なバックグラウンド要因である。
• フォトエレクトリックピーク周辺のエネルギーカットを適用することで、時間分解能のばらつきが低減され、有効な時間分解能が約2倍に向上した。
• 1×1 mm²のMPPC構成では、わずかに悪いエネルギー分解能（約14% FWHM）が観測されたが、これは主に位置合わせ関連の系統的誤差によるものであった。
• MPPCは最大5 Tまでの静的磁場に対して不感であるため、統合型PET/MRシステムへの応用が可能であるが、動的勾配磁場下での性能は未検証のままである。