Studies on a PET module prototype for the recovery of Compton events

In this thesis we will present different studies carried out on a prototype of PET module detector with pixelated crystals, light sharing and single side readout. A dedicated experimental setup was initially developed and characterised, in order to satisfy all the requirements in terms of spatial, energy and time resolution. This setup allows multiple channels readout with parallel chains for energy and time measurement and various possibilities for automation given by several possible mechanics arrangement. The flexibility of this setup allowed to perform all the successive studies using the same Data Acquisition electronics and software. Moreover, it opens up the possibilities for further tests on multi-channels detectors and on image reconstruction. The first application of this setup was the improvement of the Coincidence Time Resolution of the PET module exploiting Depth Of Interaction information. The contribution to the time resolution due to different speed of gamma and optical photons inside the detector was mitigated with an algorithm that only requires a calibration measurement compared to the DOI capable prototype used. To achieve the best possible time resolution in this configuration, multiple time stamps were combined to obtain a better time of interaction estimator. This work is particularly interesting for possible application in high resolution PET scanners, because it relies on single side readout and requires production costs only slightly higher compared to a similar existing module without DOI capability. Moreover, an algorithm was developed to correctly identify the crystal of first interaction in case of Inter-Crystal Scatter events. These are events in which the primary gamma photon interacts with multiple channels of the PET detector. Different approaches to the subject are found in literature; one of these is to use an algorithm to sort the energy depositions. This is the approach used in this study: a new algorithm was developed, preliminary tested by means of Geant4 simulations and later applied on the PET module previously developed using the experimental setup originally described. The possibility to include ICS event with good accuracy would allow to increase sensitivity or image quality depending on the method to whom this approach is compared to. The long term possibilities of this algorithm will be discussed further at the end of this thesis.

In questa tesi vengono presentati degli studi su un prototipo di rivelatore per un modulo PET con cristallo segmentato, condivisione della luce e lettura della stessa da una singola faccia. Un apparato sperimentale dedicato è stato inizialmente sviluppato e caratterizzato, per poter soddisfare tutti i requisiti in termini di risoluzione spaziale, temporale ed energetica. Questo setup permette la lettura di molteplici canali con catene parallele per misure di tempo ed energia e numerose possibilità di automazione, date dalle molteplici meccaniche impiegabili. La flessibilità di questo apparato ha permesso di effettuare i successivi studi impiegando gli stessi software di acquisizione e analisi. Inoltre, apre la possibilità di ulteriori test su detector a molti canali e per la ricostruzione di immagini. La prima applicazione di questo setup è stato il miglioramento della risoluzione temporale di coincidenza di un modulo PET usando l'informazione relativa alla profondità di interazione. Il contributo alla risoluzione temporale dovuto alle differenti velocità di propagazione di fotoni gamma e ottici all'interno del detector è stata mitigata con un algoritmo che richiede solamente una misura di calibrazione rispetto al rivelatore impiegato. Per ottenere la migliore risoluzione temporale possibile in questa configurazione, molteplici marche temporali sono state combinate per ottenere una miglior stima del tempo di interazione. Questo lavoro è particolarmente interessante per una possibile applicazione in macchine PET ad alta risoluzione, in quanto impiega una lettura della luce da un singola faccia e richiede costi di produzione solo leggermente superiori in confronto a moduli esistenti simili sprovvisti di informazione DOI. Inoltre, è stato sviluppato un algoritmo per identificare correttamente il cristallo di prima interazione nei casi di scattering Compton tra cristalli. Questi sono eventi in cui il fotone gamma primario interagisce con più di un canale della macchina PET. Diversi approcci al problema sono usati in letteratura; uno di questi è l'uso di un algoritmo per riordinare le deposizioni di energia. Questo è l'approccio usato anche in questo studio: è stato sviluppato un nuovo algoritmo, è stato testato con simulazioni Geant4 ed è stato applicato a un modulo PET precedentemente sviluppato usando il setup sperimentale inizialmente sviluppato. La possibilità di includere eventi ICS con una buona accuratezza potrebbe permettere di aumentare la sensitività o la qualità dell'immagine, a seconda di quale metodo è messo a confronto. La possibilità a lungo termine di questo algoritmo sono discusse in conclusione.