Quality Assessment of Detector Material and Prototype Detectors for Multispectral Medical Imaging, with the Focus on Cadmium Telluride and Infrared Microscopy

Abstract

Photon-counting (PC) technology for medical applications has become a hot topic in recent years and is believed to revolutionise medical imaging. One material of particular interest for PC R&D efforts is cadmium telluride (CdTe), a high-Z material that outperforms the well-established semiconductor silicon (Si) in terms of absorption properties. However, it still proves to be a challenging material regarding crystal growth and processing the crystals into detectors. This is partly due to the material fragility and material quality differences, such as the amount of inherent tellurium (Te) inclusions. The research for this thesis has been part of the project “Multispectral Photon-Counting for Medical Imaging and Beam Characterization” (MPMIB). It focuses on two main objectives: the quality assessment of CdTe crystals before the complex processing procedure into radiation detectors suitable for PC, and the testing of prototype PC detectors for imaging as well as for beam profile measurements. For the first part, the Te defect density is chosen as an estimator for the crystal quality. A 3D infrared microscopy (IRM) setup facilitates a thorough scan of the crystals’ interior, thereby making Te defects visible. A neural network facilitates an automated Te defect detection in the IRM image data. Pre- and post-processing steps of the obtained data are introduced to convert the data into a format that allows further analysis and visualisation. A key output is the visualisation of the defect density within the CdTe crystals, allowing rapid comparison of crystals and providing information on areas of higher defect density. For the second part, a miniature tomographic proof of concept setup was built to test the performance of CdTe pixel detectors. It is shown that spectrum-per-pixel data can be extracted, a prerequisite to differentiate between materials. For beam profile measurements, a Si pixel detector of a similar design to the CdTe prototype is used. Initial measurement results indicate that a Si pixel detector may be of interest for beam calibration. Additionally, a clustering algorithm and further data analysis steps are introduced to gain access to the spectral data collected by the detector. The spectrum extracted after applying the clustering algorithm agrees well with a simulated spectrum for the detector, verifying the functionality of the algorithm. To conclude: With photon-counting technology on the rise, CdTe is a material of focal interest and quality assessment of the material, as presented in this thesis, is an essential ingredient towards ultimate detector performance.Lääketieteellisissä sovelluksissa käytettävän fotonilaskennan (photon counting, PC) teknologian uskotaan mullistavan lääketieteellisen kuvantamisen. Yksi PC:n tutkimus- ja kehitystyön kannalta erityisen kiinnostava materiaali on kadmiumtelluridi (CdTe), joka on korkean järjestysluvun materiaali ja jolla on paremmat absorptio-ominaisuu kuin vakiintuneesti käytetyllä piillä (Si). Se on kuitenkin edelleen haasteellinen materiaali kiteiden kasvattamisen ja ilmaisimien valmistuksen kannalta. Tämä johtuu osittain materiaalin hauraudesta ja materiaalin laatuun liittyvistä vaihteluista, kuten telluurin (Te) sulkeumien määrästä. Tämän tutkielman tutkimus on osa ”Multispectral Photon-Counting for Medical Imaging and Beam Characterization” (MPMIB)-hanketta. Siinä keskitytään kahteen päätavoitteeseen: CdTe-kiteiden laadun arviointiin ennen monimutkaista käsittelyä PC:hen soveltuviksi säteilyilmaisimiksi, ja PC-ilmaisimien prototyyppien testaus kuvantamista ja hiukkassäteen profiilin mittauksia varten. Ensimmäisessä osassa kiteen laadun arvioimiseksi tutkitaan telluurin (Te) vikatiheyttä. 3D-infrapunamikroskopia (IRM) mahdollistaa kiteen sisäosan perusteellisen skannauksen, jolloin Te-virheet tulevat näkyviin. Konvoluutioneuroverkkoa (CNN) käytetään havaitsemaan automaattisesti Te-virheet IRM-kuvatiedoista. Kun CNN:n poimimat tiedot on jälkikäsitelty, saadaan visualisoitua CdTe-kiteen sisäinen vikatiheys, joka antaa tietoa alueista, joilla vikatiheys on suuri, mikä mahdollistaa nopean vertailun kiteiden välillä. Toisessa koejärjestelyssä rakennettiin pienoistomografia-asetelma, jolla testataan CdTe-pikseli-ilmaisimien suorituskykyä. Havaitaan, että pikselikohtainen spektri on mahdollista poimia kyseisellä ilmaisimella, mikä on edellytys materiaalien erottamiselle. Lisäksi testattiin CdTe-prototyyppiä vastaavan Si-pikselidetektorin soveltuvuutta säteen profiilin mittauksiin. Esitetään klusterointialgoritmi, jonka avulla päästään käsiksi ilmaisimen keräämiin spektritietoihin. Klusterointialgoritmin soveltamisen jälkeen poimittu spektri vastaa hyvin ilmaisimen simuloitua spektriä, mikä todentaa algoritmin toimivuuden. Lopuksi: CdTe on kiinnostava materiaali koska sitä voidaan käyttää yleistyvän fotonilaskentateknologian sovelluksissa. Tässä työssä esitetty materiaalin laadunarviointi on olennainen osa ilmaisimen suorituskyvyn optimointia