A compton camera prototype with γ-PET imaging capability: from component evaluations to online tests

Fitzpatrick, Tim Maximilian (2022): A compton camera prototype with γ-PET imaging capability: from component evaluations to online tests. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Am Lehrstuhl für Medizinphysik der LMU wird ein szintillator-basierter Compton-Kamera-Prototyp mit SiPM-Auslese zur Reichweitenbestimmung von Ionenstrahlen in der Hadronentherapie (mit der Möglichkeit des Einsatzes im γ-PET-Modus) entwickelt. Als Compton-Kamera-Streudetektor wird eine GAGG (Ce:Gd3Al2Ga3O12) Szintillatormatrix (16 × 16 Kristalle; 1.6 mm Abstand (Zentrum-zu-Zentrum)) verwendet. Die relative Energieauflösung dieser Kristallmatrix und die Ortsauflösung wurden in unterschiedlichen Auslesekonfigurationen mit SiPMs ausgiebig untersucht. Durch Vergleiche von SiPM-Modulen unterschiedlicher Hersteller (KETEK und HAMAMATSU) und verschiedener Mikrozellgrößen (15 μm, 25 μm, 35 μm und 50 μm), sowie zwei Arten der Kopplung zwischen Kristall und SiPM (optisches Fett und RTV Silikonschicht), konnte die leistungsfähigste Konfiguration ermittelt werden. In allen Auslesekonfigurationen konnten jeweils alle 256 Kristalle der GAGG Kristallmatrix identifiziert werden, woraus auf eine Ortsauflösung gleich dem Zentrumsabstand der Kirstalle von 1.6 mm geschlossen werden kann. Die beste Energieauflösung von E/E = 9.5 % bei einer γ-Strahlenergie von 662 keV wurde unter Verwendung von KETEK SiPM-Modulen mit 35 μm Mikrozellgröße erreicht. Als Compton-Kamera Absorberdetektor wurden monolithische LaBr3:Ce und CeBr3 Szintillatoren (51 × 51 × 30 mm^3) untersucht. Durch ihre stöichometrische Ähnlichkeit versprechen beide Materialien eine vergleichbare Leistungsfähigkeit und folglich auch vergleichbare Szintillationseigenschaften (Lichtausbaute, Zerfallszeit, Dichte). Der CeBr3- Kristall besitzt jedoch keinen intrinsischen Untergrund, der im LaBr3:Ce vom radioaktiven Isotop 138La verursacht wird. Ausgelesen mit Multianoden Photoelektronen-Vervielfacher-Röhren (MA-PMT) konnte eine Zeitauflösung von beiden Szintillationsmaterialien von unter 300 ps erreicht werden (250 ± 2 ps [LaBr3:Ce] und 281 ± 3 ps [CeBr3]), was die Fähigkeit dieser Detektoren zeigt, durch Flugzeitmessungen prompte γ-Strahlen von Untergrund-Neutronen zu unterscheiden. Die beste Energieauflösung wurde mit einem LaBr3:Ce Kristall, ausgelesen von einer KETEK SiPM-Matrix mit 50 μm SPADs, erreicht. E/E = 4.1 % (bei 662 keV) und E/E = 1.8 % (bei 6.13 MeV) wurden mit einer ASIC-basierten Signalauslese erreicht. Des Weiteren wurde eine alternative Methode zur Detektorauslese ("Hybrid-Ganging") für monolithische Kristalle entwickelt, die zu einer Verbesserung von ca. 0.5 Prozentpunkte im Vergleich zur ASIC-basierten Auslese geführt hat. In allen durchgeführten Studien war die relative Energieauflösung des CeBr3-Kristalls der jeweiligen des LaBr3:Ce Kristalls um 0.8 % bis 2.0 % unterlegen. Ein erster Compton-Kamera-Prototyp mit monolithischem LaBr3:Ce Absorber und GAGG Szintillatormatrix als Streuer erreichte eine von der genauen Position der radioaktiven Quelle in der Ebenene parallel zur Streukomponente (in einer Entfernung von 50 mm zum Streuer) abhängige Winkelauflösung zwischen 5.4◦ und 6.2◦. Eine Ortsauflösung zwischen 5.2 mm und 5.6 mm konnte demonstriert werden und dabei eine Genauigkeit der Quelllokalisierung von unter einem Millimeter erreicht werden. Als alternativer Absorberdetektor für einen Compton-Kamera-Prototypen zur Bildgebung von γ-Strahlen mit Energien unterhalb von 1.5 MeV wurde eine dreilagige gepixelte LYSO Kristallmatrix (0.9 × 0.9 × 6.6 mm^3 Kristallvolumen), ausgelesen von KETEK und HAMAMATSU 50 μm SPAD SiPM-Modulen mit 8 × 8 Kanälen (3 × 3 mm^2 aktive Kanalfläche) und dem PETsys TOFPET v2v ASIC untersucht. Für beide untersuchten SiPM-Matrizen konnten alle einzelnen Kristalle aufgelöst werden. Die relative Energieauflösung wurde für die drei Lagen getrennt untersucht und trotz der starken Abhängigkeit von der jeweiligen Lage konnte ein mittlerer Wert von E/E = 19.1 % und E/E = 21.2 % bei 511 keV, für das KETEK-Modul bzw. das HAMAMATSU Modul gemessen werden. Eine Koinzidenzzeitauflösung von unter 500 ps (bestimmt für die einzelnen Kristalllagen) wurde gemessen. Ein zweiter Compton-Kamera-Protoyp wurde mit den GAGG-Matrizen (unter Verwendung eines KETEK SiPM-Moduls mit 25 μm Mikrozellen) und einem dreilagigen LYSO-Block (unter Verwendung eines HAMAMATSU 50 μm SPAD SiPM-Moduls). Mit diesem Prototypen konnte mit einer Na-22 Punktquelle in einer Distanz zum Streuer von 50 mm eine Winkelauflösung von 8.2◦ für Energien von einfallenden Photonen von 1274 keV und eine Ortsauflösung von 6.0 mm und 6.1 mm entlang der x- bzw. y-Achse erreicht werden. Im Dreifach-Koinzidenz-Modus (durch kombinierte Ereignisse von separat ausgelösten PET und Compton-Ereignissen) konnte mit nur 77 Primärereignissen eine Ortsauflösung von 3.3 mm und 3.9 mm in der PET-Ebene und 12,9 mm in der dritten Dimension erreicht werden, was die daraus folgende Fähigkeit zur vollständigen dreidimensionalen Bildgebung und die hohe Empfindlichkeit des γ-PET-Modus demonstriert. Mit einem Detektorsystem, das aus vier kreuzförmig angeordneten Compton-Kamera Armen besteht, wurden Messungen an (radioaktiven) Teilchenstrahlen (C-12 and O-16 (stabil); C-10, C-11 and O-15 (radioaktiv)) durchgeführt. Die gute Zeitauflösung der Kamera konnte verwendet werden, um die zeitliche Struktur des Strahls zu beobachten. Ausserdem konnten prompte γ-Strahlen in Koinzidenzspektren zwischen Streuer und Absorber detektiert werden. Die sehr geringe geometrische Effizienz dieses ersten Prototypen und der hohe strahlinduzierte Untergrund ließen jedoch keine zuverlässige Rekonstruktion des Ionenstrahls durch die Detektion von prompten γ-Strahlen zu. Abschließend ist zu sagen, dass eine SiPM-basierte Auslese von verschiedenen Compton-Kamera Komponenten und dazugehörige Kamerakonfigurationen als Alternative zu einer konventionellen PMT-basierten Auslese etabliert werden konnte.

Abstract

At the Chair for Medical Physics at LMU a scintillator-based Compton camera prototype is under development with SiPM read out for ion beam range monitoring in hadron therapy (with the capability to be operated in a γ-PET imaging mode). As Compton camera scatterer detector a GAGG (Ce:Gd3Al2Ga3O12) scintillator array (16 × 16 crystals; 1.6 mm crystal pitch) was investigated. The relative energy resolution of this crystal array and the spatial resolution were intensively studied in various readout configurations using SiPMs. Comparing SiPM modules from two different vendors (KETEK and HAMAMATSU) and of various microcell sizes (15 μm, 25 μm, 35 μm and 50 μm) as well as two types of crystal-to-SiPM couplings (optical grease and RTV silicon rubber sheet), the best component configuration was found. While in all readout configurations all 256 individual crystals of the GAGG crystal array could be identified from which a spatial resolution equal to the crystal pitch of 1.6 mm was concluded, the best energy resolution of E/E = 9.5 % at a γ-ray energy of 662 keV was found using the KETEK 35 μm microcell size SiPM array. As Compton camera absorber detector monolithic LaBr3:Ce and CeBr3 scintillator blocks (51 × 51 × 30 mm^3) were under investigation. Both materials promise comparable performance, due to their stoichiometric similarity and therefore scintillation properties (light yield, decay time, density). The CeBr3 crystal, however, does not suffer from an internal background component due to the abundance of the radioactive isotope 138La in LaBr3:Ce. Read out using multi-anode photomultiplier tubes (MA-PMT), a time resolution of both crystal materials of well below 300 ps was achieved (250 ± 2 ps [LaBr3:Ce] and 281 ± 3 ps [CeBr3]) which demonstrated the capability of these absorber detectors to discriminate prompt γ-rays from neutron background that occurs during ion beam irradiation, by means of time-of-flight (TOF) measurements. The best energy resolution was measured using the LaBr3:Ce crystal read out by a KETEK SiPM array with 50 μm SPADs. E/E = 4.1 % (at 662 keV) and E/E = 1.8 % (at 6.13 MeV) was achieved using an ASIC-based signal processing. Furthermore, an alternative detector readout method (by hybrid-ganging) for the monolithic crystals was developped, which resulted in an improvement of ≈ 0.5 % points compared to the ASIC-based readout. In all performed studies, the relative energy resolution of the CeBr3 crystal was inferior by between 0.8 % and 2.0 % compared to the one of the LaBr3:Ce. A first Compton camera prototype comprising a monolithic LaBr3:Ce crystal as absorber and a GAGG scintillator array as scatterer resulted in an ARM value between 5.4 ◦ and 6.2 ◦ depending on the exact radiation source location in the plane parallel to the scatterer component (at a distance of 50 mm to the scatterer). A spatial resolution between 5.2 mm and 5.6 mm could be demonstrated with an accuracy to localize a Na-22 point source of below 1 mm. As an alternative absorber detector for a Compton camera prototype for γ-ray imaging below 1.5 MeV, a three-layered pixelated LYSO crystal array (0.9 × 0.9 × 6.6 mm^3 crystal volume) was studied in a readout configuration using KETEK and HAMAMATSU 50 μm SPAD SiPM arrays with 8 × 8 channels (3 × 3 mm^2 active channel area) and the PETsys TOFPET v2c ASIC. For both investigated SiPM arrays all crystals could be individually resolved and identified. The relative energy resolution was studied individually for the three crystal layers and despite a strong dependency of the layer, in which the interaction took place, an average value of E/E = 19.1 % and E/E = 21.2 % at 511 keV was found for the KETEK and HAMAMATSU SiPM arrays, respectively. A coincidence-resolving time of below 500 ps (determined for individual crystal layers) was found for both SiPM arrays. A second Compton camera protoype was commissioned from the GAGG crystal array (using a KETEK 25 μm SPAD SiPM array) and a three-layered LYSO crystal block (using a HAMAMATSU 50 μm SPAD SiPM array). This prototype could achieve an angular resolution measure (ARM) of 8.2 ◦ at an incident photon energy of 1274 keV and a spatial resolution of 6.0 mm and 6.1 mm along the x- and y-dimension, respectively, using a Na-22 point source at a distance to the scatterer of 50 mm. A γ-PET proof-of-principle study was carried out in which a spatial resolution of 2 mm in a PET-only imaging mode was achieved using a simple backprojection for image reconstruction. In a triple-coincidence imaging mode (by combined events of a individually triggered PET and Compton events) using only 77 primary events a spatial resolution of 3.3 mm and 3.9 mm in the PET detector plane was achieved and 12.9 mm in the third plane, resulting in full three-dimensional imaging capability and high sensitivity of the γ-PET imaging mode was demonstrated. Using a detector system comprising four of Compton cameras in a cross-like arrangement online measurements at a (radioactive) ion beams (C-12 and O-16 (stable); C-10, C-11 and O-15 (radioactive)) were performed. The good camera time resolution could be used to image the ion beam’s spill structure and prompt γ-rays were detected in a coincidence mode (between scatterer and absorber). The very low geometrical efficiency of this first prototype and the high beam induced background, however, did not allow to obtain a reliable reconstruction of the ion beam by means of prompt γ-rays. In a PET-imaging mode using the scatterers of opposing Compton cameras a O-16 beam could be monitored. In conclusion, a SiPM-based readout of various Compton camera components and related camera configurations could be established as high-performance alternative to conventional PMT-based readout.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 22. Februar 2022
• 1. Bericht­erstatter:in: Thirolf, Peter