Erste Studien eines neuen PET-Detektormoduls, basierend auf der

Erste Studien eines neuen PET-Detektormoduls, basierend auf
der Einzelauslese von 1 x 1 mm2 LYSO-Kristallen mit
monolithischen Arrays von SiPMs
Pulko Jozef; Fürst Sebastian; B. Mann Alexander; Hohberg Melanie; Konorov Igor; Paul
Stephan; Ch. Spanoudaki Virginia und I. Ziegler Sibylle
Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik, Klinikum rechts der Isar, Technische
Universität München
I. EINLEITUNG
Der Silizium-Photomultiplier (SiPM) ist ein neuartiges
Photodetektorkonzept mit vielversprechenden Eigenschaften
für die Auslese von Szintillationskristallen bei PET. Ein
SiPM besteht aus einer Matrix von Einkanal-APDs (Zellen),
die auf einem gemeinsamen Siliziumsubstrat aufgebracht
sind. Jede Zelle wird im limitierten Geiger-Modus, d. h. mit
einer Spannung über der Durchbruchsspannung betrieben. So
resultiert jeder in solch einer Zelle erzeugte Ladungsträger in
einer Lawine, wobei die Anzahl ihrer Ladungsträger
unabhängig von der Anzahl der einfallenden Photonen ist. Da
das Ausgangssignal eines SiPMs die Summe der
Ausgangssignale der einzelnen Zellen ist, erhält man
quantitative Informationen über die Intensität des auf die
empfindliche Fläche des Photodetektors fallenden Lichts. In
mehreren Studien über SiPMs [1] wurde bereits gezeigt, dass
ihre Unempfindlichkeit gegenüber magnetischen Feldern,
verbunden mit einer hohen inneren Verstärkung und einem
schnellen Timing, welche mit denen einer PMT vergleichbar
sind, einige der Vorteile sind, die SiPMs für die PET/MRBildgebung attraktiv machen.
benachbarten 1 x 4 Kristallreihen wird durch Einfügen zweier
Spiegelreflektorschichten (3M Radiant Mirror Film und mit
Aluminium metallisierte Polyesterfolie) erreicht. Alle
Oberflächen der einzelnen Kristallelemente sind poliert, und
die Kopplung zwischen Kristall und Photodetektor wird
durch Auftragen eines optischen Klebers realisiert.
Ein speziell angefertigter Halter aus Photopolymer-Harz
wird dazu verwendet, die exakte Anordnung der
Kristallelemente zum SiPM, wie in Abb. 1 gezeigt,
sicherzustellen. Indem man je ein Detektor-Array an beiden
Seiten des Halters anbringt, ist es auch möglich, Licht eines
Blockes von 4 x 8 LYSO Kristallen zu sammeln.
Für die Aufnahme der Pulshöhenspektren wurden die
Ausgangssignale des Detektor-Arrays über Analogeingänge
in einen schnellen digitalen Oszillographen eingespeist
(1 GHz Bandbreite, 4 Gsamples/s, Agilent, Infiniium,
54832D).
Weder
zusätzliches
Shaping
noch
Signalverstärkung wurden verwendet.
II. MATERIALIEN UND METHODEN
Das in dieser Studie verwendete Array (Hamamatsu
Photonics, Japan) enthält vier monolithische Reihen, von
denen jede aus vier SiPMs mit entweder 400 oder 1600
Zellen besteht. Das vollständige Array ist auf einem
keramischen Träger der Größe 4.9 x 10.2 mm2 befestigt. Die
einzelnen SiPMs mit einer Durchbruchspannung von 70 V
haben eine empfindliche Fläche von 1 x 1 mm2, die in einer
Zellgröße von 50 µm x 50 µm und 25 µm x 25 µm für den
Fall mit 400 beziehungsweise mit 1600 Zellen resultiert. Der
Abstand zwischen den SiPMs innerhalb einer monolithischen
1 x 4 Reihe ist vernachlässigbar, während der Abstand
zwischen zwei monolithischen Reihen 1.5 Millimeter beträgt.
Eine Epoxidschicht wird zum Schutz der Bonddrähte der
einzelnen SiPMs verwendet.
Im Gegensatz zum typischen Blockdetektordesign
erforscht unsere Gruppe die Möglichkeit der Einzelauslese
von LYSO-Kristallen (Saint Gobain, Frankreich) der Größe
1 x 1 x 20 mm3 mit dem oben erwähnten Array von
Photodetektoren.
1 x 4 Kristallreihen ohne optische Trennung zwischen den
einzelnen Kristallelementen sind an jede der monolithischen
1 x 4 SiPM-Reihen gekoppelt. Optische Trennung zwischen
Abb. 1. 4 x 4 SiPM-Array auf Schnittstellenkarte (links) und das
vollständige
LYSO-SiPM-Detektor-Array
(rechts).
Der
Kristallhalter ist in der Abbildung ebenfalls sichtbar.
III. ERGEBNISSE UND DISKUSSION
Trotz der vorteilhaften Eigenschaften von SiPMs bezüglich
Verstärkung, Timing und Unempfindlichkeit gegenüber
magnetischen Feldern, kann die begrenzte Anzahl von Zellen
in einem SiPM ein nicht-lineares Ansprechverhalten des
Detektors bei hohen optischen Photonenflüssen bewirken und
infolgedessen zu einem begrenzten Dynamikbereich bei den
gemessenen Energien der einfallenden Strahlung führen.
Die Antwort von Einkanal-LYSO-SiPMs auf die von
unterschiedlichen Strahlungsquellen (131I, 18F und 137Cs)
emittierten Gammaquanten wurde studiert. Die Kristalle und
Einkanal-SiPMs haben die gleichen Eigenschaften wie oben
für das 4 x 4 Detektor-Array beschrieben.
experimentellen Resultaten lineares Verhalten der SiPMs
gewährleistet ist.
Mithilfe dieser Messungen wurden die optimalen
Betriebsparameter in Bezug auf die an das oben vorgestellte
4 x 4 LYSO-SiPM-Detektor-Array angelegte Spannung
bestimmt.
Abb. 5 zeigt typische Energiespektren eines Kanals
innerhalb des 4 x 4 Detektor-Arrays für beide Zelldichten.
Die erhaltenen Energieauflösungen sind in guter
Übereinstimmung mit den für die Einzelkanal-SiPMs
gemessenen Werten.
Eine vollständige Charakterisierung dieses SiPMDetektor-Arrays bezüglich Crosstalk zwischen verschiedenen
Kanälen, Timing und der Optimierung des Detektordesigns
für die Detektionseffizienz wird momentan durchgeführt, um
die Machbarkeit des vorgeschlagenen Detektorkonzepts in
der hochauflösenden PET-Bildgebung zu beurteilen.
Abb. 2. Position des Photopeak als Funktion der Energie bei
verschiedenen Spannungen für 400 Zellen (oben) und 1600 Zellen
(unten). Es ist wichtig zu bemerken, dass es wegen der höheren
Verstärkung möglich war, Messungen mit 99mTc an SiPMs mit 400
Zellen durchzuführen.
Abb. 4. Abhängigkeit der gemessenen Energieauflösung von
der Energie der einfallenden Strahlung für SiPMs mit 400
Zellen (Kreise) und 1600 Zellen (Quadrate).
Abb. 3. Abhängigkeit der Energieauflösung von der Spannung bei
einem SiPM mit 400 Zellen (oben) und mit 1600 Zellen (unten).
Abb. 2 zeigt die Abhängigkeit der Position des Photopeak
auf die angelegte Spannung. Es ist offensichtlich, dass die
Antwort auf alle optischen Photonenflüsse, d.h. auf alle im
Kristall deponierten Energien bis zu einer Spannung von
70.1 V im Falle der 400 Zellen linear ist, während Linearität
im Fall der 1600 Zellen bis zu 72.6 V erhalten bleibt.
Die Abhängigkeit der für die SiPMs gemessenen
Energieauflösung von der Strahlungsenergie ist in Abb. 3
gezeigt. In diesen Graphen wird eine höhere
Energieauflösung der SiPMs mit 400 Zellen im Vergleich zu
denen mit 1600 Zellen beobachtet (16% und 22%). Es sollte
bemerkt werden, dass diese Werte mit angelegten
Spannungen von 69.9 V für 400 und 72.6 V für 1600 Zellen
gemessen wurden, bei denen gemäβ den in Abb. 2 gezeigten
Abb. 5. Typische Energiespektren eines Kanals innerhalb des 4 x 4
Detektor-Arrays für 400 Zellen (oben) und 1600 Zellen (unten).
REFERENZEN
[1] A. N. Otteet. al. ”A test of silicon photomultipliers as
readout for PET” Nucl. Inst. and Meth. A 545, pp. 705-715,
2005