Evaluation of the continuous detector concept for PET systems dedicated to small animals by using the Monte Carlo simulation method

Abstract

Küçük hayvanlar için pozitron emisyon tomografisine ait detektör tasarımı, üç tane anafaktörü göz önünde tutmayı gerektirir. Bunlar yüksek enerji çözünürlüğü, uzamsalçözünürlük ve maliyettir. En son teknoloji pozitron emisyon tomografisi detektörleriincelendiğinde, birçok araştırmacının küçük hayvanlar için olan PET sistemleri için,yekpare, blok ya da parçalı kristallerden oluşan detektörleri tercih ettikleri görülebilir.Parçalı kristallerden oluşan detektör tasarımı, yüksek uzamsal çözünürlük sağlarken, aynızamanda pek çok yeni sorunada yol açar; örneğin, ışın toplanmasında düşüş (düşükbağlanma kesri), yoğun emek ve yüksek maliyet. Bu çalışmada, bu kısıtlamalarınüstesinden gelebilmek için blok ya da parçalı kristallerden oluşan detektörler yerine,yekpare bir kristalin, yüksek çözünürlüklü küçük hayvan PET sistemleri içinuygulanabilirliği araştırıldı. Bu amaç için, konum duyarlı bir ışıl elektriksel çoğaltıcıya(Hamamatsu H8711-03) bağlı bir LSO (16mm x 16mm) kristali tasarlandı. Yekpare birkristal ile çalışırken, yüzey kaplaması ve kristal kalınlığı, detektörün ana özelliklerinibelirleyen önemli faktörlerdendir. Bu yüzden, tasarlanan detektörün optimizasyonu için bufaktörlerin etkisi araştırıldı. Çalışmada, 4 farklı yüzey kaplaması (parlak yüzey + siyahboya, pürüzlü yüzey + siyah boya, pürüzlü yüzey + metakrilit + siyah boya, pürüzlü yüzey+ hava), 3 farklı kalınlık (3mm-6mm-9mm) ve 41 değişik kaynak koordinatı kullanıldı.LSO kristalinin farklı yüzey kaplamaları ve kalınlıklarıyla ilgili elde edilen tüm enerjiçözünürlüğü, uzamsal çözünürlük ve imge sıkıştırma sonuçları sunuldu. Benzetimler,DETECT2000 benzetim paketi kullanılarak gerçekleştirildi. Yüksek uzamsal çözünürlük,bir PET detektörü için en önemli parametredir. Yapılan çalışmada, ?pürüzlü yüzey + havayüzey kaplaması? en yüksek uzamsal çözünürlük, ancak zayıf bir imge sıkıştırması sonucuvermiştir. Ancak, bu beklenen düzeyde olmayan sonuç, bazı özel istatistikselkonumlandırma algoritmalarıyla iyileştirilebilir.

A detector design especially for small animal PET systems requires taking into accountthree main factors: these are high energy and spatial resolution and price. When examiningthe state-of-the-art PET detectors, it can be seen that many researchers have preferred touse continuous (monolithic), block or discrete crystals for small animal PET systems.Although, the discrete crystal detector designs have provided high spatial resolution, theyalso have caused many complications such as, reduced light collection (low packingfraction), labour-intensive use and increased costs. In this study, to overcome theselimitations, the feasibility of using a continuous crystal instead of block or discrete designshas been explored for high resolution small animal PET applications. For this aim, a PETdetector for small animals based on continuous block Lutetium oxyorthosilicate crystal(LSO) (16mm x 16mm) coupled to a PS-PMT (Hamamatsu H8711-03) has been designed.When working with continuous crystals, surface treatment and crystal thickness areimportant factors that strongly determine the main characteristics of the detector module.Therefore, for the development of this explored small animal PET detector, the effects ofthese factors on the detector module performances have been investigated, in order tooptimize crystal configuration. In this study 4 different surface treatments (Polish + Black,Ground + Black, Ground + Methacrylate, Ground + Air), 3 different crystal thickness(3mm-6mm-9mm) and 41 different source coordinates were used. The obtained results forthe energy resolution, spatial resolution and image compression have been presented whenusing different surface treatments and thicknesses in continuous LSO crystals. Thesimulation results have been carried out by using DETECT2000 package.The end word, high spatial resolution is the most important parameter for a PET detector.In our study, Ground + Air (GA) surface treatment gives the highest special resolution but,the image compression is poor. However, this poorness can be avoided by using certainstatistics based positioning (SBP) algorithms.