Verification of the compton-PET and a new approach to SPECT Tohru Takeshita (Shinshu University) Y.Hasegawa,K.Kotera,M.Yamazaki, T.Ogura, K.Tsuchimoto, Y.Miyashita, K.Sako Compton-PET bench test and simulation SPECT bench test TIPP 14 1 TT-compt-pet PET 18F fluorodeoxy glucose CH2OH FDG O OH Positron Emission Tomography OH OH 18F cancers love glucose: OH is substituted to 18F e+ hydro-oxyl e18F->18O+e++ν,τ 110min.:e+e->2 : backtoback • • γ • • earlier discover requires smaller cancer • spatial resolution ５mm(now)>>１mm γ γ 0.511MeV current PET γ big escintillator principal limitation Miyashita center of gravity PMT TIPP 14 TT-compt-pet 2 r(mm) Requirements for next-PET • spatial reso. １mm • not only center 1mm • gammas come from whole 2011 Yamazaki et. al body • layer into longitudinal dir. • PMT is too thick • silicon photo-sensor TIPP 14 3 TT-compt-pet Requirements for next-PET • spatial reso. １mm • not only center 1mm • gammas come from whole 2011 Yamazaki et. al body • layer into longitudinal dir. • PMT is too thick • silicon photo-sensor TIPP 14 3 TT-compt-pet Requirements for next-PET 3mm scint. OK • spatial reso. １mm • not only center 1mm • gammas come from whole 2011 Yamazaki et. al PPD γ e- body • layer into longitudinal dir. • PMT is too thick • silicon photo-sensor TIPP 14 3 TT-compt-pet Requirements for next-PET γ 3mm scint. OK • spatial reso. １mm • not only center 1mm • gammas come from whole e- 2011 Yamazaki et. al PPD body • layer into longitudinal dir. • PMT is too thick • silicon photo-sensor TIPP 14 3 シンチレータ ガン ガン 人体 e+ 源 区別できない TT-compt-pet Requirements for next-PET γ 3mm scint. OK • spatial reso. １mm • not only center 1mm • gammas come from whole e- 2011 Yamazaki et. al PPD body • layer into longitudinal dir. • PMT is too thick • silicon photo-sensor TIPP 14 3 シンチレータ scintillator シンチレータ ガン ガン ガン 人体 人体 e+ 源 区別できる can区別できない be sepated TT-compt-pet To achieve next PET • TOF res. TOF- PET 0.5ns (15cm) >> 0.1ns (3cm) 現行PET装置概念図 2012 Yamazaki et. al • • rapid scint. LFS<40ns • rapid MPPC • increase clock Freq, • reduce rad. dam. reduce BG ガン 大きく見える e+ 源 読み出しエレクトロニクス TIPP 14 4 電気信号 MPPC シンチレーション光 シンチレータ ガンマー線 TT-compt-pet To achieve next PET • TOF res. TOF- PET 0.5ns (15cm) >> 0.1ns (3cm) 現行PET装置概念図 2012 Yamazaki et. al • • rapid scint. LFS<40ns • rapid MPPC • increase clock Freq, • reduce rad. dam. reduce BG ガン 大きく見える e+ 源 読み出しエレクトロニクス TIPP 14 4 電気信号 1mm MPPC シンチレーション光 1mm シンチレータ ガンマー線 1.9mm TT-compt-pet 2 Issues of fine segmented PET n Compton events could escape n lower threshold with ADC current 0.4MeV n sum of two ∼0.5MeV n Compton-PET layer struct. dσ/dθ 0.5MeV TIPP 14 γ 0.5MeV half/side 5 Ogura 0.5MeV γ TT-compt-pet Compton-PET simulation • 3mmx3mmx15mm LSO scintillator +1mmMPPC efficiency(%)one side effect of layer 3layer 2layer 1layer matrix size 1x1 n 3x3 5x5 7x7 9x9 Miyashita 2 layers ５x５matrix is good enough around a hit TIPP 14 6 TT-compt-pet verification of Compton-PET 3x3 matrix • setup and calibration 22Na e+ source single crystal +MPPC TIPP 14 7 TT-compt-pet Ogura Compton-PET results vs E •E • Eγ distribution 23% events • increase in the first layer center all !# # $# # %# ５‐４ 実験結果# (# 図&'"にマトリックス中央のチャンネルのエネルギーとマトリックス全チャンネ &# ギーの和との２次元プロットを示す。# Ecenter coincidence )# "# 図&'" 中央チャンネルのみと全チャンネル分の和とのエネルギー二次元プ *# +# TIPP 14 Eγ8 # Eall 図&'"において、原点から右上に伸びていく濃い領域は中央チャンネルのみでエ !1# 落としたイベントによるものである。横軸,全チャンネルの和-の&!!./0付近に見 !!# は中央チャンネルのみで見たときはコンプトン散乱だったものがマトリックス全 !$# と光電吸収相当のエネルギーを落としているイベントによってできている。この !%# 成するイベントがコンプトン234による検出効率の向上に寄与することになる。 !(# ットの5軸方向と6軸方向に射影をとったものがそれぞれ中央チャンネルと全チ !&# とのエネルギースぺクトルになる。# TT-compt-pet Ogura Compton-PET results vs E •E • Eγ distribution 23% events • increase in the first layer center all Ecenter coincidence Eall TIPP 14 Eγ8 TT-compt-pet Ogura Compton-PET 1 2 3 コンプトンイベント計数の結果を下図に示す。 efficiency • fine segmented PET • good spatial / time reso. • Compton-PET • simulation and experiments 1x1 3x3 • 3x3x1layer +23%(exp) <> +28% 2層 1層 4 5 6 7 (sim) ●：１層 ●：２層 ●：３層 横軸 １：シンチ１個 ２：3 3 ３：5 5 ４： 8 9 9 横軸１のシンチレータ１個のときは 511keV のエネルギ 10 ットした時のイベント数を入射γ線数で割った値のプロット 11 検出効率 ＝ 511 イベント数／入射γ • 2nd layer will be added TIPP 14 Miyashit a 図 各ユニットの真のイベント検出効率(コンプトン散乱 12 横軸の２、３、４、５はシンチレータをそれぞれ縦横３ 13 ９に組み上げたもので、シンチレータに 511keV のデポジッ 14 イベントを足したものを入射γ線数で割った値をプロットし 15 検出効率 ＝ (511 イベント＋コンプトンイベン 16 ２層目の導入によるイベント数増加の効果が大きい。LSO TT-compt-pet SPECT study • Single Photon Emission CT • 150KeV gamma Tc • photo-electric absorption • with collimator • small scintillator +MPPC • independent R/O : HEP spacial resolution • better5mm >> 1mm • BG free : rapid circuit 99m TIPP 14 10 Siemens TT-compt-pet SPECT study • Single Photon Emission CT • 150KeV gamma Tc • photo-electric absorption • with collimator • small scintillator +MPPC • independent R/O : HEP spacial resolution • better5mm >> 1mm • BG free : rapid circuit 99m scintillators TIPP 14 10 Siemens MPPCs TT-compt-pet collimator SPECT sim. Sako • sim. set up with 9x9 matrix collimator scintillator Pb point source TIPP 14 11 TT-compt-pet sim. spatial reso. Sako : 0.7mm • in y direction spatial reso.(mm) collimator source displacement y(mm) TIPP 14 12 TT-compt-pet sim. collimator length Sako • spatial reso. vs coll. length spatial reso.(mm) coll. thickness 0.02mm 0.03mm 0.04mm target 1mm 0.06mm 0.12mm collimator length (mm) TIPP 14 13 collimator length(mm) TT-compt-pet sim. distance from surface spatial reso.(mm) Sako target 1mm distance from the collimator surface(mm) TIPP 14 collimator thickness TT-compt-pet 14 sim. water phantom spatial reso.(mm) • H 0 phantom 2 with H20 Sako coll.=0.12 without H20 target 1mm distance from the collimator surface(mm) TIPP 14 TT-compt-pet 15 SPECT test exp. • LSO 1mmx1mmx20mm • MPPC 1mmx1mm • with clear fiber connected collimator 0.18mm no fiber fiber 60mm 70p.e. TIPP 14 TT-compt-pet 15p.e. 16 Tsuchimoto SPECT test exp. • 57Co source 4mm from collimator top • • 1x9 tested 3x3 matrix tested 1.2mm TIPP 14 collimator w= 0.18mm MPPC array fibre 3x3 collimator 1.09mm center TT-compt-pet 17 source summary & outlook • next generation PET • fine spatial and time resolution with layered structure • basic concepts are verified with small and heavy scintillator and MPPC • new SPECT idea can have spatial resolution 1mm TIPP 14 TT-compt-pet 18 scintillator : LSO scintillator thickness •eff.(%) 5mm enough for 140keV scintillator thickness (mm) TIPP 14 TT-compt-pet Sako
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