Design of the Cherenkov TOF whole-body PET scanner using GATE simulation
Description
In this thesis we present the conception and performance studies of the foreseen Cherenkov whole-body positron emission scanner with time-of-flight potential (PECHE project). Our results and conclusions are based on the GATE simulation for following scanner configurations: lead fluoride crystal coupled with micro-channel-plate photomultiplier. This crystal is characterized by high density, transparency for photons in ultraviolet region, and one of the highest photoelectric fraction of about 46%. The chosen photomultiplier is fast, pixelized detector of a large size with a reasonable quantum efficiency, of 25% for 400 nm photon wavelength. Due to these properties, it is possible to create an efficient 511-keV gamma detector with a crystal thickness of the order of 10 mm (one interaction length) and hence minimize the length and dispersion of the photon trajectories, leading to better time resolution. We considered different configurations of the elementary detectors such as crystal thicknesses of 10 and 20 mm, the detector ring diameter of 80 and 90 cm, various options of the crystal coating (black, diffuse white and polished) and two optical interfaces (molecular bonding and conventional assembling with an optical gel). As an optimal configuration we chose a three-ring PET scanner with diameter of the ring 80 cm, 10 mm-thick crystal, protected with lead shielding. Molecular bonding gives better photo-collection if compare with configuration with optical gel. We estimated the potential of the foreseen scanner following the prescription of the NEMA NU 2-2012 standard. In particular, we evaluated the noise equivalent count rate (NECR), spatial resolution, image contrast recovery coefficients versus background variability for the NEMA image quality phantom. Reconstruction of images is done using iterative TOF algorithm implemented in the recently developed open source reconstruction platform CASToR. We concluded that due to an excellent TOF resolution a crystal-based Cherenkov whole-body scanner could achieve performances comparable with a conventional, scintillation-based tomograph. The use of the Cherenkov radiation allows to achieve even much better TOF resolution, but currently it is limited by the transit time spread of the existing photomultipliers, a low number of the detected optical photons, and a limited photon collection efficiency in a crystal. Limitations identified in this study will be addressed in the future development of the improved photodetector using the PbWO4 radiator, which allows to conceive a whole-body PET scanner with an excellent TOF performance. (author)
Abstract (French)
Dans cette these, nous presentons la conception et l'etude de performance d'un tomographe par emission de positrons (TEP) corps entier utilisant la radiation Cherenkov avec capacite de temps-de-vol (projet PECHE). Nos resultats et les conclusions sont bases sur la simulation GATE pour la configuration du scanner suivante: cristal de fluorure de plomb attache a un photomultiplicateur a micro-canaux. C'est un cristal de haute densite, transparent pour les photons ultraviolet, et possede la fraction photoelectrique la plus eleve de 46%. Le photomultiplicateur choisi est un detecteur de grande taille, rapide et pixelise avec une efficacite quantique raisonnable, de 25% a une longueur d'onde de 400 nm. Grace a ces proprietes, il est possible d'envisager un detecteur efficace de gamma de 511 keV avec une epaisseur de cristal de 10 mm (une longueur d'interaction) et donc de minimiser la longueur et dispersion des trajectoires de photons, resultant a une resolution temporelle optimisee. Nous avons etudie les configurations differentes de detecteur elementaire tels que le cristal avec les epaisseurs de 10 et 20 mm, le diametre de l'anneau de detection de 80 et 90 cm, diverses options de le revetement de cristal (noir, blanc diffus et poli) et deux interfaces optiques (collage moleculaire et assemblage conventionnel avec un gel optique). Pour une configuration optimale, nous avons choisi un scanner TEP a trois anneaux avec un diametre de l'anneau de 80 cm, cristal de 10 mm d'epaisseur, et un blindage en plomb. Le collage moleculaire donne une meilleure photo-collection comparee a configuration avec un gel optique. Nous avons estime le potentiel du scanner envisage en utilisant les tests recommandes par la norme NEMA NU 2-2012. En particulier, nous avons evalue le taux de comptage de bruit equivalent (NECR), la resolution spatiale, coefficients de recouvrement de contraste de l'image et la variabilite de bruit de fond pour le fantome de qualite d'image. La reconstruction des images est faite en utilisant l'algorithme iteratif temps-de-vol implemente dans la plate-forme de reconstruction 'open source' CASToR recemment developpee. Nous avons conclu qu'un scanner corps entier utilisant la lumiere Cherenkov pourrait atteindre des performances comparables a celles d'un tomographe classique a scintillation grace a son excellente resolution temps-de-vol. L'utilisation du rayonnement Cherenkov permet d'atteindre une resolution en temps-de-vol encore meilleure. Il est limite actuellement par la dispersion de temps de transit des photomultiplicateurs existants, un faible nombre de photons optiques detectes et une efficacite de collecte de photons dans un cristal limitee. Les limitations physiques identifiees dans cette etude seront abordees dans le developpement du futur photodetecteur ameliore utilisant le radiateur PbWO4, qui permet de concevoir un scanner TEP corps entier avec une excellente performance temps-de-vols.
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Additional details
Additional titles
- Original title (English)
- Conception du scanner TEP Tcherenkov, corps entier, temps de vol en utilisant un logiciel de simulation GATE
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 119 p.
- Report number
- FRCEA-TH--10910
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 51056580
- Subject category
- S46: INSTRUMENTATION RELATED TO NUCLEAR SCIENCE AND TECHNOLOGY; S62: RADIOLOGY AND NUCLEAR MEDICINE;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- CHERENKOV RADIATION; GAMMA DETECTION; LEAD FLUORIDES; PERFORMANCE; PHOTOMULTIPLIERS; POSITRON COMPUTED TOMOGRAPHY; SPATIAL RESOLUTION; TIME RESOLUTION; TIME-OF-FLIGHT METHOD
- Descriptors DEC
- COMPUTERIZED TOMOGRAPHY; DETECTION; DIAGNOSTIC TECHNIQUES; ELECTROMAGNETIC RADIATION; EMISSION COMPUTED TOMOGRAPHY; FLUORIDES; FLUORINE COMPOUNDS; HALIDES; HALOGEN COMPOUNDS; LEAD COMPOUNDS; LEAD HALIDES; PHOTOTUBES; RADIATION DETECTION; RADIATIONS; RESOLUTION; TIMING PROPERTIES; TOMOGRAPHY
Optional Information
- Notes
- 109 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; Also available from SCD, Domaine universitaire de Paris-Sud Batiment 407 Rue du Doyen Georges Poitou 91405 ORSAY Cedex (France)