[논문 리뷰] Characterization of TOF-PET Detectors Based on Monolithic Blocks and ASIC-Readout

Efthymios Lamprou, Andrea Gonzalez‐Montoro외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 22.

Radiation Detection and Scintillator Technologies인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 SiPM 어레이에 결합된 단일질량 LYSO闪烁체 블록을 위한 새로운 ASIC 기반 읽기 시스템을 제안하며, 고도로 정교한 타임스탬프 캘리브레이션과 신호 평균화를 통해 585 ps FWHM의 동시성 시간 해상도(Coincidence Time Resolution, CTR)를 달성한다. 이 방법은 시간 워크와 신호 경로 변동을 완화함으로써 시간 해상도를 크게 향상시키며, 고성능 시간 도약형 PET 영상에 큰 잠재력을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단일질량闪烁체 블록과 SiPM 어레이의 조합이 시간 도약형(TOF) PET 검출기에서 실현 가능한지 평가한다.
• 단일질량 결정에서 빛의 확산과 신호 경로 변동으로 인한 시간 해상도 향상 문제를 해결한다.
• 모든 채널 간 시간-경로 차이를 보완하고 타임스탬프 오차를 교정하는 캘리브레이션 방법을 개발하고 검증한다.
• 감마 입자 위치 추적을 위해 신호 평균화 기법을 활용하여 동시성 시간 해상도(CTR)를 향상시킨다.
• 이 시스템이 높은 공간 해상도와 시간 해상도를 갖춘 임상용 TOF-PET 애플리케이션에 어떻게 활용될 수 있는지 시연한다.

제안 방법

• 감마선 탐지에 사용하기 위해 50×50×10 mm³ 크기의 대형 단일질량 LYSO闪烁체를 8×8 SiPM 어레이(각 픽셀 6×6 mm²)에 결합한다.
• 모든 SiPM 채널의 신호를 동시에 디지털화하기 위해 ASIC 기반 읽기 시스템을 사용한다.
• 기록된 타임스탬프를 교정하고 채널 간 시간-경로 차이를 보완하기 위해 캘리브레이션 방법을 적용한다.
• 각 감마 상호작용 사건에 대해 단일이고 최적화된 타임스탬프를 할당하기 위해 신호 평균화 접근법을 구현한다.
• 단일 대 단일 결합 방식을 사용하여 기본 성능을 검증한다.
• 공진 측정을 통해 CTR를 측정하고, 캘리브레이션 및 평균화 후 성능 향상을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ASIC 기반 읽기 시스템과 신호 처리 기법을 조합할 경우, 단일질량闪烁체 블록과 SiPM 어레이 조합이 600 ps 이하의 CTR를 달성할 수 있는가?
• RQ2 타임스탬프 캘리브레이션은 단일질량 TOF-PET 검출기에서 시간 워크와 채널 간 시간 변동을 얼마나 효과적으로 줄이는가?
• RQ3 광범위하게 퍼진 빛이 SiPM에 분포하는 검출기에서, 신호 평균화 기법이 CTR 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 빛 분포가 단일질량闪烁체 시스템의 SNR와 오작동 발생에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 캘리브레이션 및 평균화 방법은 다른 단일질량闪烁체 구성에 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 일대일 결합 조건에서의 기본 CTR는 캘리브레이션 이전에 202 ps FWHM였다.
• 제안된 캘리브레이션 방법은 모든 측정에서 약 45% 향상된 CTR를 달성하여 시간 지연을 감소시켰다.
• 신호 평균화 기법을 추가로 적용함으로써 최종적으로 50×50×10 mm³ 크기의 대형 LYSO 블록에서 585 ps FWHM의 해상도를 달성하였다.
• 캘리브레이션 방법은 시간-경로 차이를 효과적으로 보완하고 시간 워크 영향을 줄였다.
• 캘리브레이션과 평균화의 조합은 단일질량 검출기에서 3차원 위치 추적을 위한 견고하고 고정밀한 타이밍 성능을 가능하게 하였다.
• 결과적으로 단일질량闪烁체와 ASIC 기반 읽기 시스템을 조합한 고성능 TOF-PET 시스템의 실현 가능성을 확인하였다.