A rewriting of the relation between the acolinearity of annihilation photons and their energy in the context of positron emission tomography

Acolinearity of the annihilation photons observed in Positron Emission Tomography (PET) is described as following a Gaussian distribution. However, it is never explicitly said if it refers to the amplitude of the acolinearity angle or its 2D distribution relative to the case without acolinearity (herein defined as the acolinearity deviation). Since the former is obtained by integrating the latter, a wrong interpretation would lead to very different results. The paper of Shibuya et al. (2007), differs from the previous studies since it is based on the precise measurement of the energy of the annihilation photons. They also show that acolinearity follows a Gaussian distribution in the context of PET. However, their notation, which relies on being on the plane where the two annihilation photons travel, could mean that their observation refers to the amplitude of the acolinearity angle. If that understanding is correct, it would mean that acolinearity deviation follows a 2D Gaussian distribution divided by the norm of its argument. Thus, we revisited the proof presented in Shibuya et al. (2007) by using an explicit description of the acolinearity in the 3D unit sphere

Study of the limits of time resolution of detectors for time-of-flight positron emission tomography

La prochaine percée majeure en tomographie d'émission par positrons (TEP), une modalité d'imagerie médicale, repose sur la mesure de temps de vol (TdV) ultra-rapide, qui permet d'améliorer substantiellement la sensibilité et le contraste dans les images. Ce progrès implique une amélioration considérable de la résolution temporelle en coïncidence (RTC) des détecteurs du scanner TEP par rapport à la technologie actuelle. Ce projet vise à étudier les limites de RTC de détecteurs TEP-TdV ainsi que les approches permettant de tendre vers une RTC optimale. D'abord, une approche décrivant l'influence de la position d'interaction dans les détecteurs sur la RTC est exposée. Cette influence devient critique à de hautes valeurs de résolution, créant un biais lors de l'estimation du temps d'interaction dans le détecteur. Une validation expérimentale d'un modèle incluant ce biais est présentée. Une méthode d'estimation de la position d'interaction est ensuite proposée pour pallier l'effet dégradant du biais temporel. Une preuve de concept de la méthode est faite avec des scintillateurs et une électronique rapides, suivie d'une étude des requis de futurs détecteurs pour améliorer l'efficacité d'estimation. Ensuite, une caractérisation de la dynamique du dépôt d'énergie dans les scintillateurs est détaillée, permettant de guider la conception de détecteurs. Finalement, un nouveau modèle est proposé pour décrire la RTC de détecteurs produisant des photons dits prompts, prometteurs pour tendre vers une RTC optimale. Ce projet permet ainsi de mettre en évidence les défis à relever et les approches pour atteindre l'objectif d'une imagerie TEP avec TdV ultra-rapide pour une meilleure qualité d'image, une réduction de dose radioactive ou l'ouverture de la modalité vers une population pédiatrique.Abstract: The next major breakthrough in positron emission tomography (PET) imaging relies on ultra-fast time-of-flight (TOF) measurement, which can substantially improve sensitivity and contrast in images. This progress requires a considerable improvement in the coincidence temporal resolution (CTR) of the detectors of the PET scanner compared to current technology. This project aims to study the limits of CTR of TOF-PET detectors as well as the approaches allowing to tend towards an optimal CTR. First, an approach describing the influence of the interaction position in the detectors on the CTR is presented. This influence becomes critical at high resolution values, creating a bias when estimating the interaction time in the detector. An experimental validation of a model including this bias is presented. A method for estimating the interaction position is then proposed to mitigate the degrading effect of the temporal bias. A proof of concept of the method is made with fast scintillators and electronics, followed by a study of the requirements of future detectors to improve the estimation efficiency. Then, a characterization of the dynamics of energy deposition in scintillators is detailed, allowing to guide the design of detectors. Finally, a new model is proposed to describe the CTR of detectors producing so-called prompt photons, promising to tend towards an optimal CTR. This project thus makes it possible to highlight the challenges to be met and the approaches to achieve the objective of PET imaging with ultra-fast TOF for better image quality, a reduction in radioactive dose or the opening of the modality to a pediatric population

Optimization of the extraction of scintillation light in pixelated detector arrays for applications in positron emission tomography (PET) and computed tomography (CT)

Résumé : Les performances de détecteurs à scintillation, composés d’un cristal scintillateur couplé à un photodétecteur, dépendent de façon critique de l’efficacité de la collecte et de l’extraction des photons de scintillation du cristal vers le capteur. Dans les systèmes d’imagerie hautement pixellisés (e.g. TEP, TDM), les scintillateurs doivent être arrangés en matrices compactes avec des facteurs de forme défavorables pour le transport des photons, au détriment des performances du détecteur. Le but du projet est d’optimiser les performances de ces détecteurs pixels par l'identification des sources de pertes de lumière liées aux caractéristiques spectrales, spatiales et angulaires des photons de scintillation incidents sur les faces des scintillateurs. De telles informations acquises par simulation Monte Carlo permettent une pondération adéquate pour l'évaluation de gains atteignables par des méthodes de structuration du scintillateur visant à une extraction de lumière améliorée vers le photodétecteur. Un plan factoriel a permis d'évaluer la magnitude de paramètres affectant la collecte de lumière, notamment l'absorption des matériaux adhésifs assurant l'intégrité matricielle des cristaux ainsi que la performance optique de réflecteurs, tous deux ayant un impact considérable sur le rendement lumineux. D'ailleurs, un réflecteur abondamment utilisé en raison de ses performances optiques exceptionnelles a été caractérisé dans des conditions davantage réalistes par rapport à une immersion dans l'air, où sa réflectivité est toujours rapportée. Une importante perte de réflectivité lorsqu'il est inséré au sein de matrices de scintillateurs a été mise en évidence par simulations puis confirmée expérimentalement. Ceci explique donc les hauts taux de diaphonie observés en plus d'ouvrir la voie à des méthodes d'assemblage en matrices limitant ou tirant profit, selon les applications, de cette transparence insoupçonnée.Abstract : The performance of scintillation detectors, made up of a scintillating crystal coupled to a photodetector, critically depends on the collection and extraction efficiency of scintillation photons from the crystal by the sensor. In highly pixelated imaging systems (e.g. PET, CT), scintillators must be arranged in compact arrays with form factors detrimental to light transport, deteriorating the detector performance. The goal of the study was to optimize the pixelated detectors performance by identifying the light loss sources related to the spectral, spatial and angular characteristics of the scintillation photons impinging on scintillators faces. Such information acquired by Monte Carlo simulations enables adequate weighting for the evaluation of achievable gains through structuring of the scintillators for enhanced light extraction to the photodetector. The magnitude of parameters affecting the light collection in arrays, such as adhesive materials absorption and reflector opacity that both have high impact on light output, was evaluated through a factorial design. A frequently used reflector because of its outstanding optical performance was characterized in more realistic conditions compared to air immersion in which its reflectivity is always reported. An important reflectivity quenching of the reflector in optically bonded scintillator arrays was discovered by simulation and confirmed experimentally. This explains the high light crosstalk measured in pixelated arrays as well as paving the way to assembling methods limiting or taking advantage, depending on the application, of this unsuspected transparency

Optimization of the extraction of scintillation light in pixelated detector arrays for applications in positron emission tomography (PET) and computed tomography (CT)

Résumé : Les performances de détecteurs à scintillation, composés d’un cristal scintillateur couplé à un photodétecteur, dépendent de façon critique de l’efficacité de la collecte et de l’extraction des photons de scintillation du cristal vers le capteur. Dans les systèmes d’imagerie hautement pixellisés (e.g. TEP, TDM), les scintillateurs doivent être arrangés en matrices compactes avec des facteurs de forme défavorables pour le transport des photons, au détriment des performances du détecteur. Le but du projet est d’optimiser les performances de ces détecteurs pixels par l'identification des sources de pertes de lumière liées aux caractéristiques spectrales, spatiales et angulaires des photons de scintillation incidents sur les faces des scintillateurs. De telles informations acquises par simulation Monte Carlo permettent une pondération adéquate pour l'évaluation de gains atteignables par des méthodes de structuration du scintillateur visant à une extraction de lumière améliorée vers le photodétecteur. Un plan factoriel a permis d'évaluer la magnitude de paramètres affectant la collecte de lumière, notamment l'absorption des matériaux adhésifs assurant l'intégrité matricielle des cristaux ainsi que la performance optique de réflecteurs, tous deux ayant un impact considérable sur le rendement lumineux. D'ailleurs, un réflecteur abondamment utilisé en raison de ses performances optiques exceptionnelles a été caractérisé dans des conditions davantage réalistes par rapport à une immersion dans l'air, où sa réflectivité est toujours rapportée. Une importante perte de réflectivité lorsqu'il est inséré au sein de matrices de scintillateurs a été mise en évidence par simulations puis confirmée expérimentalement. Ceci explique donc les hauts taux de diaphonie observés en plus d'ouvrir la voie à des méthodes d'assemblage en matrices limitant ou tirant profit, selon les applications, de cette transparence insoupçonnée.Abstract : The performance of scintillation detectors, made up of a scintillating crystal coupled to a photodetector, critically depends on the collection and extraction efficiency of scintillation photons from the crystal by the sensor. In highly pixelated imaging systems (e.g. PET, CT), scintillators must be arranged in compact arrays with form factors detrimental to light transport, deteriorating the detector performance. The goal of the study was to optimize the pixelated detectors performance by identifying the light loss sources related to the spectral, spatial and angular characteristics of the scintillation photons impinging on scintillators faces. Such information acquired by Monte Carlo simulations enables adequate weighting for the evaluation of achievable gains through structuring of the scintillators for enhanced light extraction to the photodetector. The magnitude of parameters affecting the light collection in arrays, such as adhesive materials absorption and reflector opacity that both have high impact on light output, was evaluated through a factorial design. A frequently used reflector because of its outstanding optical performance was characterized in more realistic conditions compared to air immersion in which its reflectivity is always reported. An important reflectivity quenching of the reflector in optically bonded scintillator arrays was discovered by simulation and confirmed experimentally. This explains the high light crosstalk measured in pixelated arrays as well as paving the way to assembling methods limiting or taking advantage, depending on the application, of this unsuspected transparency

Improved LabPET detectors using Lu1.8Gd0.2SiO5:Ce (LGSO) scintillator blocks

L'introduction de nouveaux scintillateurs permet d'améliorer les performances des modules de détection LabPET. // Abstract : The scintillator is one of the key building blocks that critically determine the physical performance of PET detectors. The quest for scintillation crystals with improved characteristics has been crucial in designing scanners with superior imaging performance. Recently, it was shown that the decay time constant of high lutetium content Lu[subscript 1.8]Gd[subscript 0.2]SiO[subscript5] : Ce (LGSO) scintillators can be adjusted by varying the cerium concentration from 0.025 mol% to 0.75 mol%, thus providing interesting characteristics for phoswich detectors. The high light output (90%–120% NaI) and the improved spectral match of these scintillators with avalanche photodiode (APD) readout promise superior energy and timing resolutions. Moreover, their improved mechanical properties, as compared to conventional LGSO (Lu[subscript 0.4]Gd[subscript 1.6]SiO[subscript 5] : Ce), make block array manufacturing readily feasible. To verify these assumptions, new phoswich block arrays made of LGSO-90%Lu with low and high mol% Ce concentrations were fabricated and assembled into modules dedicated to the LabPET scanner. Typical crystal decay time constants were 31 ns and 47 ns, respectively. Phoswich crystal identification performed using a digital pulse shape discrimination algorithm yielded an average 8% error. At 511 keV, an energy resolution of 17–21% was obtained, while coincidence timing resolution between 4.6 ns and 5.2 ns was achieved. The characteristics of this new LGSO-based phoswich detector module are expected to improve the LabPET scanner performance. The higher stopping power would increase the detection efficiency. The better timing resolution would also allow the use of a narrower coincidence window, thus minimizing the random event rate. Altogether, these two improvements will significantly enhance the noise equivalent count rate performance of an all LGSO-based LabPET scanne

DOI estimation through signal arrival time distribution: a theoretical description including proof of concept measurements

The challenge to reach 10 ps coincidence time resolution (CTR) in time-of-flight positron emission tomography (TOF-PET) is triggering major efforts worldwide, but timing improvements of scintillation detectors will remain elusive without depth-of-interaction (DOI) correction in long crystals. Nonetheless, this momentum opportunely brings up the prospect of a fully time-based DOI estimation since fast timing signals intrinsically carry DOI information, even with a traditional single-ended readout. Consequently, extracting features of the detected signal time distribution could uncover the spatial origin of the interaction and in return, provide enhancement on the timing precision of detectors. We demonstrate the validity of a time-based DOI estimation concept in two steps. First, experimental measurements were carried out with current LSO:Ce:Ca crystals coupled to FBK NUV-HD SiPMs read out by fast high-frequency electronics to provide new evidence of a distinct DOI effect on CTR not observable before with slower electronics. Using this detector, a DOI discrimination using a double-threshold scheme on the analog timing signal together with the signal intensity information was also developed without any complex readout or detector modification. As a second step, we explored by simulation the anticipated performance requirements of future detectors to efficiently estimate the DOI and we proposed four estimators that exploit either more generic or more precise features of the DOI-dependent timestamp distribution. A simple estimator using the time difference between two timestamps provided enhanced CTR. Additional improvements were achieved with estimators using multiple timestamps (e.g. kernel density estimation and neural network) converging to the Cramér–Rao lower bound developed in this work for a time-based DOI estimation. This two-step study provides insights on current and future possibilities in exploiting the timing signal features for DOI estimation aiming at ultra-fast CTR while maintaining detection efficiency for TOF PET