Faculté des sciences de base SB, Programme doctoral Physique, Institut de physique de l'énergie et des particules IPEP (Laboratoire de physique des hautes énergies 1 LPHE1)

Étude du tomographe de haute résolution pour petits animaux ClearPET par la méthode de Monte Carlo

Rey, Martin ; Bay, Aurélio (Dir.) ; Morel, Christian (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2007 ; no 3826.

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    Summary
    The Lausanne ClearPET demonstrator is one of the new generation of high resolution small animal PET scanners. A high resolution PET scanner aims to maximize the signal-to-noise ratio measured in pixels for a given time without compromising spatial resolution. In order to achieve it, ClearPET scanners are based on phoswich technology : two different crystals (LSO and LuYAP) are aligned one behind the other and coupled to the same channel of a multichannel photo-detector. Depth-of-interaction is determined by a pulse shape analysis. To improve the prototype design, a Monte Carlo simulation toolkit dedicated to emission tomography – GATE – was created. The accurate description of time-dependent phenomena such as source or detector movement and source decay kinetics represents the most important feature of this software. The first part of this work presents the demonstrator built in Lausanne, mainly the DAQ process and the libraries for the data treatment, and the GATE functionality. In the second part, the measurements obtained with the ClearPET demonstrator combined with simulations are presented. The simulations allow estimation of the performance of a final scanner and refinement of the detector head design. Measurements as well as simulations give a spatial resolution of 1.3 mm on the scanner axis and 2.5 mm at 4 cm from the axis. Temporal resolution for two modules with the same sampling phase is about 4.3 ns for LSO and 4.9 ns for LuYAP. For a standard acquisition, the energy resolution at 511 keV is about 31 ± 4 % for LSO and 33 ± 8 % for LuYAP. The peaks at full energy before calibration are about 480 ± 50 keV1 for LSO and 470 ± 40 keV1 for LuYAP. These variations, coupled with hardware threshold, are one of the main reasons for the sensitivity and count rate performance limitations. A sensitivity of 4.37 ± 0.05 is estimated for a full ring design with four rings of detector modules. The large systematic errors are induced by the variability previously mentioned. ------------------------------ 1 As spectra are not normalized, keV unities are inappropriate. Channel numbers are more accurate.
    Résumé
    Le démonstrateur ClearPET développé à Lausanne fait partie d'une nouvelle génération de tomographes TEP de haute résolution pour petits animaux. Un scanner TEP de haute résolution tend à maximiser le rapport signal sur bruit mesurable dans des pixels pour une durée d'acquisition donnée sans pour autant compromettre la résolution spatiale. Pour atteindre ce but, les tomographes ClearPET se basent sur la technologie phoswich dans laquelle deux cristaux scintillants de différente nature (du LSO et du LuYAP), placés en colonne, sont lus par un même canal d'une matrice de photodétecteur. Un algorithme d'analyse de forme est utilisé pour déterminer l'origine de chaque impulsion. Parallèlement, pour affiner le design de ce prototype, un logiciel de simulation Monte Carlo spécialement dédié à la tomographie d'émission – GATE – a vu le jour. La grande nouveauté de ce dernier réside dans la gestion du temps. Celle-ci permet la modélisation de la cinétique des processus de désintégration, des temps morts inhérents à l'électronique de l'acquisition et des mouvements des détecteurs. Ce travail présente dans un premier temps le démonstrateur construit à Lausanne, en mettant principalement l'accent sur le système d'acquisition de données et les bibliothèques permettant le traitement de celles-ci, et également le fonctionnement du logiciel GATE. Dans un second temps, ce sont les performances mesurées et simulées qui sont mises en avant. Les simulations permettent en outre d'extrapoler les performances à un système complet et d'affiner le design de la tête de détection. Tant les mesures que les simulations donnent une résolution spatiale de 1.3 mm sur l'axe du scanner et de 2.5 mm à 4 cm de l'axe. Les résolutions temporelles pour deux modules ayant la même phase d'échantillonnage sont de 4.3 ns pour le LSO et de 4.9 ns pour le LuYAP. Les résolutions typiques en énergie mesurées lors d'acquisitions avec le démonstrateur valent 31 ± 4 % pour le LSO et 33 ± 8 % pour le LuYAP. Les positions moyennes des pics à pleine énergie, avant calibration, sont de l'ordre de 480 ± 50 keV1 pour le LSO et de 470 ± 40 keV1 pour le LuYAP. Ces variations couplées à l'électronique de déclenchement sont une des causes principales des limitations des performances de sensibilité et de taux de comptage. Une sensibilité de 4.37 ± 0.05 peut être attendue pour un scanner complet à quatre anneaux. La forte variabilité des erreurs systématiques reflète les variations précédemment citées. ------------------------------ 1 L'unité keV est ici abusive, car les spectres n'étant pas calibrés, nous avons affaire à des numéros de canaux plutôt qu'à une énergie.