Development of Ultra-Fast TOF-PET Detector Using Cross-luminescence
교차발광현상을 이용한 초고속 TOF-PET 검출기 개발
- 주제어 (키워드) Time-of-flight (TOF) , BaF2 , Optical coupling material , Reflector , Optical band-pass filter; 교차발광현상 , 비행시간(time-of-flight , TOF) 기술 , 광학 결합 재료 , 반사체 , 광학 밴드 패스 필터
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 최용
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000077256
- UCI I804:11029-000000077256
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록
Time-of-flight (TOF) information improves the signal-to-noise ratio (SNR) of the positron emission tomography (PET) image. Current state-of-the-art commercial PET systems have ∼210–530 picoseconds (ps) full-width-at-half-maximum (FWHM) timing performance, constraining annihilation events to lie somewhere within a ∼3–8 cm region along system detector response lines (LORs). The timing limit of the commonly used LSO scintillator is 200 ps because the decay time is 40 ns. In order to develop an ultrafast TOF PET detector, investigation the scintillators with better timing performance than LSO is required. BaF2 (Cross-luminescence), an intrinsically fast scintillation process resulting in a very short light pulse with a typical decay time of the order of nanoseconds or less. The light of the BaF2 emitted in the deep UV (fast component and slow component), therefore, the detection wavelength of common SiPMs are not compatible (>400 nm). BaF2 's detector optimization, such as optical coupling material and reflector, is also required. The purpose of this study was to develop an ultra-fast TOF-PET detector using BaF2 by distinguishing between the fast and slow components and optimizing the optical coupling material and reflector. TOF-PET detectors, consisting of 3 mm × 3 mm × 3 mm BaF2 crystals, readout by vacuum UV (VUV) SiPMs (Hamamatsu) with a maximum photon detection efficiency of 24% at 200 nm. To investigate the effect of optical coupling material and reflector, silicon oil (dow corning DC 200, 500,000 cst) and PTFE Teflon (Poly Tetra Fluoro Ethylene PMR 10) were used. To distinguish fast component and slow component, optical band-pass filter was used. To evaluate the performance of ultra - fast TOF PET detectors, CTR coincidence timing resolution (CTR) and pulse data analysis were measured. The CTR of BaF2 with optical coupling material (128 ps) was superior to those of the BaF2 with air coupling (145 ps). The CTR of BaF2 with reflector (PTFE Teflon, 193 ps) was superior to those of the BaF2 with conventional teflon (213 ps). The CTR result was improved using the fast component (96 ps). The experimental results indicated that the performance of a PET detector could be improved by the optimized optical coupling material and reflector of BaF2’s light photon emitted in VUV region and by the distinguished fast component of cross luminescence (BaF2)
more초록
비행시간(time-of-flight, TOF) 기술은 양전자 방출 단층 촬영 (PET) 이미지의 신호 대 잡음비 (SNR)를 개선시킨다. 일반적으로 사용되는 LSO 섬광체의 타이밍 한계는 40ns의 감쇠 시간 때문에 200ps라는 한계점을 보인다. 초고속 TOF PET 검출기를 개발하기 위해서는 LSO보다 더 나은 타이밍 성능을 가진 섬광체에 대한 조사가 필요하다. BaF2는 본질적으로 빠른 섬광 과정을 거치므로, 나노 초 또는 그 이하의 매우 짧은 빛 펄스를 발생시킨다. BaF2에서 방출되는 빛은 깊은 자외선 (UV) 영역에 있으며 (빠른 구성요소 및 느린 구성요소), 따라서 일반적인 SiPM의 검출 파장 (>400nm)과 호환되지 않는다. BaF2 검출기의 최적화를 위해서는 광학 결합 재료와 반사체도 필요하다. TOF-PET 검출기는 3mm × 3mm × 3mm BaF2 결정체로 구성되어 있으며, 최대 광자 검출 효율이 200nm에서 24%인 UV (VUV) SiPMs (Hamamatsu)를 사용했다. 광학 결합 재료와 반사체의 효과를 조사하기 위해 실리콘 오일 (dow corning DC 200, 500,000 cst)과 PTFE Teflon (Poly Tetra Fluoro Ethylene PMR 10)이 사용되었다. 빠른 구성요소와 느린 구성요소를 구별하기 위해 광학 밴드 패스 필터가 사용되었다. 초고속 TOF PET 검출기의 성능을 평가하기 위해 동시 타이밍 해상도 (CTR) 및 파형 데이터 분석이 이루어졌다. 광학 결합 재료가 있는 BaF2의 CTR (128ps)은 광학 결합 재료가 없는 BaF2 (145ps)보다 우수했다. PTFE Teflon과 결합된 BaF2의 CTR (193ps)은 기존 Teflon이 있는 BaF2 (213ps)보다 우수했다. CTR 결과는 빠른 구성요소를 사용하여 개선되었다. (96ps). 실험 결과는 VUV 영역에서 방출되는 BaF2의 빛 광자의 최적화된 광학 결합 재료와 반사체 및 교차발광현상의 빠른 구성요소를 구별함으로써 PET 검출기의 성능이 향상될 수 있음을 나타냈다.
more목차
1. Introduction 1
2. Materials and Methods 5
2.1. Scintillators and Photodetectors 5
2.2. High frequency (HF) electronics setup 6
2.3. Optical coupling materials 8
2.4. Reflector 10
2.5. Optical band-pass filter 11
3. Results 13
3.1. 3 3 3 mm3 BaF2 coupled with optical coupling material 13
3.2. 3 3 3 mm3 BaF2 coupled with reflector 18
3.3. 3 3 20 mm3 BaF2 coupled with reflector 22
3.4 Optical band-pass filter 27
3.4.1 Frequency analysis 30
4. Discussion 34
5. Conclusions 37
Bibliography 38
