Identification de cristaux dans un phoswich par la méthode de mesure de temps au dessus d'un seuil (ToT) pour le scanner LabPET II

La performance d’un scanner TEP se mesure par sa sensibilité, son contraste et sa résolution spatiale. Cette dernière doit être idéalement uniforme dans tout le champ de vue utile (CDV) du scanner. Cependant, le problème de parallaxe dû à l’éloignement de la source du centre de CDV, entraîne une dégradation de la résolution spatiale radiale. Ce problème est très présent dans les scanners avec une grande densité de détecteurs et de petit diamètre notamment dans le LabPET II, le scanner en cours de développement à l’Université de Sherbrooke par le Groupe de recherche en appareillage médicale de Sherbrooke (GRAMS) et le Centre d’imagerie moléculaire de Sherbrooke (CIMS), avec [tilde]37 000 détecteurs pour un CDV de 16 cm de diamètre et 12 cm de longueur axiale. Chaque détecteur a une surface de 1,2[indice supérieur *] 1,2 mm[indice supérieur 2] et une longueur supérieure à 10 mm. La mesure de profondeur d’interaction (PDI) demeure très utile pour résoudre le problème de parallaxe. La PDI peut être réalisée par l’assemblage de deux cristaux en phoswich, tout en gardant la même longueur totale pour assurer une bonne efficacité de détection, et puis, le cristal dans lequel une interaction est faite sera déterminé à l’aide d’algorithme d’identification de cristaux. Pour le traitement des signaux issus des modules de détection, un ASIC de 64 canaux a été développé. L’ASIC utilise une nouvelle technique de mesure de temps à doubles seuils inspirée de la technique de mesure de temps au-dessus d’un seuil (ToT). Cette technique repose sur l’utilisation de deux discriminateurs à seuil afin de déterminer le temps d’arrivée du photon d’annihilation et son énergie. Le temps d’arrivée est estimé par le moment de discrimination du signal avec le premier discriminateur. Tandis que l’énergie du signal est calculée par la différence des moments de discrimination du signal avec le premier et le deuxième discriminateur. Cette différence de temps est non linéaire en fonction de l’énergie. Donc une correction d’énergie est faite pour déterminer le spectre d’énergie. Les seuils des discriminateurs sont méticuleusement choisis afin de minimiser l’erreur sur les temps de croisement. Cette méthode de ToT à doubles seuils est une technique innovatrice pour identifier les cristaux qui ont scintillés [i.e. scintillé] dans un scanner TEP. Avec une erreur inférieure à 5%, cette technique discrimine entre un LGS045ns et un LYSO40ns. Malgré le taux d’erreur élevé comparé à d’autres méthodes d’identification, cette technique possède l’avantage d’être facilement intégrable dans l’ASIC du LabPET II

Depth of interaction measurement based on dual-threshold time-over-threshold technique for the Scanner Approaching in Vivo Autoradiographic Neuro Tomography (SAVANT), a dedicated brain PET scanner

Le développement des scanners de tomographie d’émission par positrons (TEP) a permis l’avancée de la médecine dans la compréhension des processus métaboliques et moléculaires du corps humain. La TEP dédiée au cerveau présente encore des limites à cause de la taille des sous-structures du cerveau d’intérêt impliquées dans certaines maladies neurodégénérescentes comme l’alzheimer. Des scanners TEP à très haute résolution spatiale et très haute sensibilité deviennent nécessaires. Cependant, la résolution spatiale dans la périphérie du champ de vue (CDV), une région de grand intérêt dans l’étude du cortex cérébral, doit demeurer stable et ne pas souffrir d’effet de parallaxe. La solution pour remédier à ce problème est soit de mesurer le temps de vol (TDV) et/ou mesurer la profondeur d’interaction (PDI). Bien que le temps de vol laisse entrevoir des performances hors pair, sa maturité n’est pas atteinte et il faut se replier sur la mesure de la PDI par d’autres techniques. Plusieurs techniques existent pour mesurer cette PDI et peuvent être classées en trois groupes ; directes, continues et discrètes. Le scanner SAVANT(ScannerApproachinginVivoAutoradiographicNeuroTomography)est un scanner TEP dédié à l’imagerie cérébrale en conception à l’Université de Sherbrooke (UdeS). Le scanner, d’un diamètre de 390 mm et d’une longueur axiale de 235 mm, vise utiliser 129 024 détecteurs pixelisés en phoswich pour mesurer la PDI. Le choix des détecteurs en phoswich comme méthode de PDI se justifie par le bon rapport coût/performance. Ce scanner repose sur la technologie de détection LabPET II, un module de détection entièrement pixelisé. L’originalité de cette technologie de détection repose non seulement sur le couplage individuel des cristaux et les photodiodes à avalanche monolithiques, mais aussi sur le traitement de données en parallèle grâce à un circuit intégré à application spécifique (ASIC) de 64 canaux. Une résolution de 1,3 mm au centre du scanner et inférieure à 2 mm dans plus de 75% du CDV est envisageable selon les premières simulations. Pour déterminer la PDI, une méthode d’identification de cristaux basée sur la technique de mesure du temps au-dessus d’un seuil à double seuillage (dToT) a été proposée et intégrée dans l’électronique frontale du SAVANT. Cette technique mesure le coefficient de détermination(R2) permettant ainsi d’évaluer la qualité de prédiction des échantillons acquis à partir du canal analogique de l’ASIC LabPET II par un modèle empirique de la chaîne avec les deux scintillateurs formant le phoswich. L’approche a été évaluée en utilisant des scintillateurs LGSO avec des temps de décroissance de 32,6 ± 0,3 ns et 43,7 ± 0,5 ns. En normalisant les signaux avec une précision d’encodage de 8 bits et en choisissant soigneusement les 2 seuils de la dToT, des précisions de discrimination moyennes de 95,8% ± 0,6% et 91,4% ± 1,1%ont été mesurées pour des fenêtres d’énergie de [450-750] keV et [250-750] keV, respectivement. De plus, des résolutions de temps en coïncidences de 3,6 ± 0,3 ns et 6,7 ± 1,0 ns ont été mesurées pour les mêmes fenêtres d’énergie.Abstract : Positron emission tomography (PET) scanners have allowed medical advances in the understanding of metabolic and molecular processes in the human body. Dedicated brain PET scanners still have limitations due to the size of the brain substructures and their composition. Hence, PET scanners with high spatial resolution and high sensitivity are needed to image the smallest details of the brain with good contrast, for further study the brain substructures and early diagnosis of neurodegenerative diseases such as Alzheimer. Another limitation of brain PET scanners is the spatial resolution degradation in the periphery of the field of view (FOV) due to parallax. To mitigate the parallax error, the depth of interaction (DOI) in the crystals should be measured. Several techniques exist to measure DOI and can be classified into three groups ; direct, continuous and discrete (e.g. phoswiches). The development of the Scanner Approaching in Vivo Autoradiographic Neuro Tomography (SAVANT) was undertaken to achieve the best possible spatial resolution while mitigating the off-center degradation by means of phoswich detectors. The scanner includes 129,024 phoswich detectors forming a cylinder with a diameter of 390 mm and an axial length of 235 mm. Simulations demonstrate a radial spatial resolution of 1.32 mm FWHM at 1 cm from the center of the FOV and below 2.0 mm within an 18 cm diameter FOV, when using DOI information. A DOI in a phoswich detector based on a dual-threshold time-over-threshold (dToT) technique was proposed and implemented in an Application Specific Integrated Circuit (ASIC). The method consists of assessing the determination coefficient between the acquired signals and the channel models of the fast and slow decay time scintillators forming the phoswich detectors. The approach was evaluated using two LGSO scintillators with decay times of 32.6 ± 0.3 ns and 43.7 ± 0.5 ns. By normalizing the signals with an 8-bit ADC and carefully choosing the two dToT thresholds, averaged discrimination accuracies of 95.8% ± 0.6% and 91.4% ± 1.1% were measured for energy windows of [450–750] and [250–750] keV, respectively. Coincidence time resolutions (CTR) of 3.6 ± 0.3 ns and 6.7 ± 1.0 ns were measured for the same energy windows