[论文解读] 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 10

一句话总结

本文提出了一种基于ASIC的读出系统，用于与SiPM阵列耦合的单片LYSO闪烁体块，通过先进的时间戳校准和信号平均技术，实现了585 ps FWHM的符合时间分辨率（CTR）。该方法通过减轻时间走漂和信号路径差异，显著提升了时间分辨率，展现出在高性能飞行时间正电子发射断层扫描（TOF-PET）中的巨大潜力。

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.

研究动机与目标

• 评估单片闪烁体块与SiPM阵列在飞行时间（TOF）正电子发射断层扫描（PET）探测器中的可行性。
• 解决单片晶体中光扩散和信号路径差异导致的时间分辨率挑战。
• 开发并验证一种校准方法，以校正时间戳误差并补偿各通道间的时间路径差异。
• 通过信号平均技术提升符合时间分辨率（CTR），用于伽马射线事件定位。
• 展示该系统在临床TOF-PET应用中具备高空间和时间分辨率的潜力。

提出的方法

• 使用一个50×50×10 mm³的LYSO单片闪烁体与一个8×8 SiPM阵列（每个像素6×6 mm²）耦合，用于探测伽马射线。
• 采用基于ASIC的读出系统，对所有SiPM通道的信号进行并行数字化。
• 应用校准方法，以校正记录的时间戳并补偿通道间的时间路径差异。
• 实施信号平均方法，为每个伽马相互作用事件分配一个单一且优化的时间戳。
• 采用闪烁体与SiPM阵列一对一耦合的方式，验证基线性能。
• 通过符合测量测量CTR，并在完成校准和平均后评估性能提升。

实验结果

研究问题

• RQ1 当结合基于ASIC的读出和信号处理技术时，单片闪烁体块与SiPM阵列是否能够实现子600 ps的CTR？
• RQ2 时间戳校准在减少单片TOF-PET探测器中时间走漂和通道间时间差异方面的有效性如何？
• RQ3 在SiPM上存在广泛光扩散的探测器中，信号平均对CTR的改善程度如何？
• RQ4 光分布对信噪比（SNR）和误触发的影响是什么？
• RQ5 所提出的校准与平均方法是否可推广至其他单片闪烁体配置？

主要发现

• 在未进行任何校准的情况下，一对一耦合的基线CTR为202 ps FWHM。
• 所提出的校准方法在所有测量中将CTR提高了近45%，显著降低了时间抖动。
• 信号平均进一步提升了CTR，最终在大尺寸50×50×10 mm³ LYSO块上实现了585 ps FWHM的分辨率。
• 校准方法有效补偿了时间路径差异，并减少了时间走漂效应。
• 校准与平均的结合实现了单片探测器中3D位置定位的稳健、高精度时间测量。
• 结果证实了使用单片闪烁体与ASIC读出技术构建高性能TOF-PET系统的可行性。