Hochauflösende Positronen-Emissions-Tomographie mit einem APD-LSO-Doppellagen-Tomographen und Einzelereignis-Datenaufnahme
Zusammenfassung der Projektergebnisse
MADPET-II ist ein Doppellagen-Tomograph, der für die hochauflösende PET an Mäusen konzipiert wurde. Forschungsschwerpunkte dieses Projekts waren die Entwicklung des Detektorsystems basierend auf neuen Lichtsensoren und die Untersuchung wie mit diesem neuartigen Konzept die Bildqualität verbessert werden kann. Erstmals wurden 1152 sehr kleine Detektorelemente aus Kristall und Lichtsensor individuell ausgelesen und die einzelnen Daten gespeichert und einer off-line Analyse zugeführt. MADPET-II war eines der ersten Geräte, bei dem diese individuelle Speicherung der kompletten Information zu einem Nachweis-Ereignis integriert wurde. Inzwischen wird dieses Konzept auch von anderen Gruppen verfolgt. Das besondere Merkmal der MADPET-II-Geometrie ist die Anordnung von zwei ringförmigen Detektorlagen. Durch diese Doppellagen-Struktur wird der sonst bei gleichem Detektorvolumen stark ausgeprägte Parallaxeneffekt minimiert und die Ortsauflösung von 1,3 mm kann in einem großen Teil des Gesichtsfeldes konstant erhalten werden. Die mittlere Energieauflösung des Tomographen ist 22% und die System-Zeitauflösung ist 10 ns. Die Zeitauflösung ist ausreichend für einen Kleintier-Tomographen, erfüllte aber nicht die ursprünglichen Erwartungen von 3 bis 5 ns. Dies kann hauptsächlich auf die Elektronik zurückgeführt werden. Sowohl die integrierte Analogelektronik als auch die digitale Elektronik konnten die Spezifikationen nicht voll erfüllen. Es wurde aber keine weitere Iteration dieses Elektronik-Konzepts beauftragt, da inzwischen neue Sensoren (Silizium-Photomultiplier, SiPM) vorgestellt wurden, die verbesserte Zeitauflösung und Verstärkung im Vergleich zu den bislang verwendeten APDs haben. Unsere Arbeitsgruppe konnte mit solchen Sensoren der ersten Generation sehr erfolgreiche Tests durchführen. Daraus ergibt sich, dass das zukünftige Konzept in der Geometrie analog zu MADPET-II aussieht, die Detektoren aber auf den neuen SiPM basieren. Doch auch mit den nicht optimalen Bedingungen der Elektronik konnte mit dem Tomographen gezeigt werden, dass die Doppellagenstruktur mit individueller Datenaufnahme zu homogenerer Ortsauflösung innerhalb des gesamten Gesichtsfelds führt und erste in vivo Aufnahmen konnten durchgeführt werden. Für dieses Projekt waren insbesondere auch Monte Carlo Simulationen wichtig. Unsere Gruppe verfolgt das Konzept der Kombination von Detektorentwicklung und Simulation schon lange, da es sich zeigte, dass nur durch diese Kombination die bestmögliche Bildrekonstruktion erreicht werden kann. Mit Hilfe von Monte Carlo Simulationen wurde eine sehr realistische Systemmatrix gewonnen, die im Vergleich zu analytisch berechneten Matrix verbesserte Bildqualität bietet. Monte Carlo Simulationen wurden in diesem Projekt auch für die quantitative Untersuchung der Auswirkung von Streuung zwischen den Detektorelementen eingesetzt. Nur durch die individuelle Auslese der einzelnen Elemente können diese Ereignisse auch in der Messung identifiziert und entsprechend berücksichtigt werden. Der Einfluss dieser Streuung auf die Abschätzung der zufälligen Koinzidenzen war ein Thema, das vorher noch nie beleuchtet wurde. Auch die von uns vorgeschlagene Nutzung von Monte Carlo Simulationen in Kombination mit Messdaten von einem Zylinder-Phantom zur Bestimmung der Normierung war vorher noch nicht bekannt. Insgesamt stellte sich das MADPET-II Projekt großen Herausforderungen in der Hardware-Entwicklung und konnte eine Reihe von bislang nicht untersuchten physikalischen Themen im Bereich der PET-Bildgebung mit fein segmentierten Detektorelementen bearbeiten. Die Ergebnisse haben international großes Interesse gefunden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
"A Sampling ADC Data Acquisition System for Positron Emission Tomography," IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 53, pp. 297-303, 2006
A. Mann, B. Grube, I. Konorov, S. Paul, L. Schmitt, D. P. McElroy, and S. I. Ziegler
-
"An analog signal processing ASIC for a small animal LSO-APD PET tomograph," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, vol. 564, pp. 451-462, 2006/8/1
V. C. Spanoudaki, D. P. McElroy, and S. I. Ziegler
-
"Estimating accidental coincidences for pixelated PET detectors and singles list-mode acquisition," Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section a-Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment, vol. 571, pp. 285-288, Feb 2007
M. Rafecas, I. Torres, V. Spanoudaki, D. P. McElroy, and S. I. Ziegler
-
"Use of single photon counting detector arrays in combined PET/MR: Characterization of LYSO-SiPM detector modules and comparison with an LSO-APD detector," Journal of Instrumentation, vol. 2, pp. P12002
V. C. Spanoudaki, A. B. Mann, A. N. Otte, I. Konorov, I. Torres-Espallardo, S. Paul, and S. I. Ziegler
-
, "Use of a Central Positron Emitting Reference Source to Improve the Timing Alignment of a Singles List- Mode Small Animal PET Scanner," IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 54, pp. 50-54, 2007
D. P. McElroy, C. J. Thompson, V. Spanoudaki, and S. I. Ziegler
-
"Effect of inter-crystal scatter on estimation methods for random coincidences and subsequent correction," Phys Med Biol, vol. 53, pp. 2391-2411, 2008
I. Torres-Espallardo, M. Rafecas, V. Spanoudaki, D. P. McElroy, and S. I. Ziegler
-
"Effect of Temperature on the Performance of Proportional APD-Based Modules for Gamma Ray Detection in Positron Emission Tomography," IEEE Trans Nucl Sci, vol. 55, pp. 469-480, 2008
V. C. Spanoudaki, D. P. McElroy, I. Torres-Espallardo, and S. I. Ziegler
-
"A positron emission tomograph based on LSO-APD modules with a sampling ADC read-out system for a students' advanced laboratory course", Z Med Phys, vol. 22(2): pp. 143-9, 2012
F.R. Schneider, A.B. Mann, I. Konorov, G. Delso, S. Paul, and S.I. Ziegler
