Improving the light yield and timing resolution of scintillator-based detectors for positron emission tomography

Abstract

Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist eine funktionelle medizinische Bildgebungstechnik. Die Lichtausbeute und Zeitauflösung Szintillator basierter PET Detektoren wird von diversen optischen Prozessen begrenzt. Dazu gehört die Lichtauskopplung aus Medien mit hohem Brechungsindex sowie Sensitivitätsbegrenzungen der Photodetektoren. Diese Arbeit studiert mikro- und nano-optische Ansätze um diese Einschränkungen zu überwinden mit dem Ziel das Signal-Rausch Verhältnis sowie die Bildqualität zu verbessern. Dafür wird ein Lichtkonzentrator vorgeschlagen um die Sensitivität von Silizium Photomultipliern zu erhöhen sowie dünne Schichten photonischer Kristalle um die Lichtauskopplung aus Szintillatoren zu verbessern. Die Ansätze werden mit optischen Monte Carlo Simulationen studiert, wobei die Beugungseigenschaften phot. Kristalle hierbei durch eine neuartige kombinierte Methode berücksichtigt werden. Proben der phot. Kristalle und Lichtkonzentratoren wurden mit Fertigungsprozessen der Halbleitertechnologie hergestellt und mit Hilfe eines Goniometer Aufbaus charakterisiert. Die simulierten Eigenschaften konnten hiermit sehr gut experimentell reproduziert werden. Daraufhin wurden Simulationen durchgeführt um den Einfluss beider Konzepte auf die Charakteristika eines PET Detektors zu untersuchen. Diese sagen signifikante Verbesserungen der Lichtausbeute und Zeitauflösung voraus. Darüber hinaus zeigen sie, dass sich auch die Kombination beider Ansätze positiv auf die Detektoreigenschaften auswirken. Diese Ergebnisse wurden in Lichtkonzentrator-Experimenten mit einzelnen Szintillatoren bestätigt. Da die Herstellung phot. Kristalle eine große technologische Herausforderung darstellt, wurde eine neue Fertigungstechnik namens "direct nano imprinting" entwickelt. Dessen Machbarkeit wurde auf Glasswafern demonstriert. Die Arbeit endet mit einer Diskussion der Vor- und Nachteile von Lichtkonzentratoren und phot. Kristallen und deren Implikationen für zukünftige PET Systeme.

Abstract

Positron emission tomography (PET) is a powerful medical imaging methodology to study functional processes. The light yield and coincident resolving time (CRT) of scintillator-based PET detectors are constrained by optical processes. These include light trapping in high refractive index media and incomplete light collection by photosensors. This work proposes the use of micro and nano optical devices to overcome these limitations with the ultimate goal to improve the signal-to-noise ratio and overall image quality of PET acquisitions. For this, a light concentrator (LC) to improve the light collection of silicon photomultipliers on the Geiger-cell level is studied. Further, two-dimensional photonic crystals (PhCs) are proposed to reduced light trapping in scintillators. The concepts are studied in detail using optical Monte Carlo simulations. To account for the diffractive properties of PhCs, a novel combined simulation approach is presented that integrates results of a Maxwell solver into a ray tracing algorithm. Samples of LCs and PhCs are fabricated with various semiconductor technologies and evaluated using a goniometer setup. A comparison between measured and simulated angular characteristics reveal very good agreement. Simulation studies of implementing LCs and PhCs into a PET detector module predict significant improvements of the light yield and CRT. Also, combining both concepts indicates no adverse effects but a rather a cumulative benefit for the detector performance. Concentrator experiments with individual scintillators confirm these simulation results. Realizing the challenges of transferring PhCs to scintillators, a novel fabrication method called direct nano imprinting is evaluated. The feasibility of this approach is demonstrated on glass wafers. The work concludes with a discussion of the benefits and drawbacks of LCs and PhCs and their implications for future PET systems.