Design and Performance Estimation of Brain-dedicated PET with Time of Flight / Depth of Interaction Detector
비행 시간 / 상호 작용 깊이 측정 기술을 적용한 뇌전용 양전자 방출 단층촬영 장치 설계 및 성능 평가
- 주제어 (키워드) Time-of-flight , Optical engineering , Detector , Positron-emission-tomography , Image Reconstruction , Geant4 Application for tomographic emission (GATE) , Scintillation crystal , Medical image processing , Photosensor , 비행 시간 측정 , 광학 , 검출기 , 양전자 방출 단층촬영 , 영상 재구성 , 몬테카를로 시뮬레이션 , 섬광 결정 , 의료 영상처리 , 광센서
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 최용
- 발행년도 2022
- 학위수여년월 2022. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000067004
- UCI I804:11029-000000067004
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록
Commercially available PET systems were designed for whole body and are not optimized for brain diagnosis and functional studies. We designed a 2-layer relative offset TOF-DOI PET detector and single layer TOF PET detector for brain dedicated PET detector and compared its performance with a single-layer Non-TOF PET detector. TOF-DOI PET detector and TOF PET detector was composed of an array of 2.0 × 2.0 mm2 LSO scintillation crystal and 8 × 8 array of Silicon Photomulipliers (SiPM). The top layer of the relative offset TOF-DOI PET detector has a relative offset of half a crystal pitch from the bottom layer. To estimate the performance according to the length of scintillation crystal, the bottom and top layer length of the TOF-DOI PET detector were designed to be 4/6 mm, 6/9 mm and 8/12 mm, and the single layer length of the TOF PET detector were designed to be 10 mm, 15 mm and 20 mm. The field of views of 242 mm of the PET system was sufficient to diagnose and study the brain. All scintillation crystals of the TOF-DOI PET detector and the TOF PET detector were clearly identified through the flood histogram. CTR of 4/6 mm, 6/9 mm, and 8/12 mm TOF-DOI PET detectors were estimated at 171.9 ps, 198.1 ps and 228.9 ps, respectively, and 10 mm, 15 mm and 20 mm TOF PET detectors were estimated at 148.4 ps, 175.5 ps and 195.0 ps, respectively. 6 point sources were used to estimate the spatial resolution, the spatial resolutions of TOF-DOI PET and TOF PET were ~ 2.0 mm FWHM at the center of the scanner regardless of total length of crystal. Especially, the 4/6 mm and 6/9 mm TOF-DOI PET systems had relatively uniform spatial resolution over the entire FOV with 2.3 mm and 2.8 mm FWHM at 100 mm from the center. The sensitivity was proportional to the total volume of the scintillation crystal. The Jaszczak phantom was used to estimate SNR, and as a result, the 6/9 mm TOF-DOI PET were the best at 13.0%. To evaluate the performance of tomography image and the potential clinical application, 3D Hoffman brain phantom and Derenzo phantom were used. The 4/6 mm and 6/9 mm TOF-DOI PET showed the best performance for Hoffman brain phantom tomographic images and can clearly distinguish the 2.0 mm rod of the Derenzo phantom. This study shows that the relative offset PET detector with time of flight and depth of interaction measurement capability is useful for improving the performance of tomography image and is a suitable PET detector for brain diagnosis and study. In particular, 6/9 mm TOF-DOI PET showed relatively excellent performance in terms of SNR, sensitivity, spatial resolution and tomography image performance.
more초록
상용화된 PET 시스템은 전신용으로 설계되었으며 뇌 진단 및 기능 연구에 최적화되어 있지 않다. 뇌전용 PET 검출기를 위한 2-layer relative offset TOF-DOI PET 검출기와 single layer TOF PET 검출기를 설계하고, 그 성능을 single layer Non-TOF PET 검출기와 비교하였다. TOF-DOI PET 검출기 및 TOF PET 검출기는 2.0 × 2.0 mm2 LSO 섬광 결정 array와 8 × 8 array 실리콘 광전자 증배관(SiPM)으로 구성된다. Relative offset TOF-DOI PET 검출기의 상단 층은 하단 층에 대해 크리스탈 픽셀의 절반만큼 이동된다. 섬광 결정의 길이에 따른 성능을 추정하기 위해 TOF-DOI PET 검출기의 하부 및 상부 층 길이는 4/6 mm, 6/9 mm 및 8/12 mm로 설계되었으며, TOF PET 검출기의 길이는 10mm, 15mm 및 20mm로 설계되었다. TOF-DOI PET 및 TOF PET 시스템은 42개의 검출기 모듈과 8개의 검출기 링으로 구성되며 직경 350mm를 형성하도록 설계되었다. TOF-DOI PET 및 TOF PET 시스템의 총 섬광 결정 수는 각각 89040개 및 48384개이다. PET 시스템의 242mm FOV는 뇌를 진단하고 연구하기에 충분하다. TOF-DOI PET 검출기 및 TOF PET 검출기의 모든 섬광 결정은 플러드 히스토그램을 통해 명확하게 식별되었다. 4/6 mm, 6/9 mm 및 8/12 mm TOF-DOI PET 검출기의 CTR은 171.9 ps, 198.1 ps 및 228.9 ps로 추정되었으며 10 mm, 15 mm 및 20 mm TOF PET 검출기는 148.4 ps, 175.5 ps 및 195.0 ps로 추정되었다. TOF-DOI PET 및 TOF PET의 공간 해상도는 섬광 결정의 길이에 관계없이 스캐너 중앙에서 ~2.0mm FWHM이었다. 특히, 4/6 mm 및 6/9 mm TOF-DOI PET은 중심에서 100mm 떨어진 지점에서 공간 분해능이 2.3 mm 및 2.8 mm FWHM으로 전체 FOV에 대해 상대적으로 균일하였다. 민감도는 섬광 결정의 전체 부피에 비례하였다. Jaszczak phantom을 이용하여 SNR을 추정한 결과 6/9 mm TOF-DOI PET이 13.0%로 가장 우수하였다. 단층 영상의 성능과 잠재적인 임상 적용을 평가하기 위해 3D Hoffman brain phantom과 Derenzo phantom을 사용하였다. 4/6 mm 및 6/9 mm TOF-DOI PET는 Hoffman brain phantom 영상에서 최고의 성능을 보여주었고 Derenzo phantom 2.0 mm rod를 명확하게 구분할 수 있었다. 본 연구는 time of flight와 depth of interaction 기술이 적용된 relative off PET 검출기가 단층 영상의 성능 향상에 유용하며 뇌 진단 및 연구에 적합한 PET 검출기임을 보여준다. 특히 6/9 mm TOF-DOI PET는 SNR, 민감도, 공간 분해능, 단층영상 측면에서 우수한 성능을 보여주었다.
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