Development of High Resolution PET Detector Based on SiPM Signal Multiplexing and Application to Simultaneous PET/MRI System

Abstract

Positron emission tomography (PET) is a powerful diagnostic tool that non-invasively visualizes metabolic processes and molecular pathways in living bodies. With the advent of an aging society, there has been a growing demand for brain PET scans because it allows early diagnosis of neurological diseases using targeted radiopharmaceuticals. Conventionally, a clinical brain PET scan protocol collects patient data using whole-body PET scanners, thereby yielding relatively poor spatial resolution in the resulting brain PET images. Accordingly, developing a brain-dedicated PET system with high resolution and high sensitivity would be highly beneficial for enhancing the early diagnostic power of brain PET scans.

In modern PET scanners, silicon photomultiplier (SiPM) is widely utilized thanks to its small pixel size, fast temporal response, and high photon detection efficiency. In principle, an individual readout of SiPM signals leads to the best PET detector performance by mitigating undesirable resistance-capacitance (RC) delay from the SiPM output signals. However, it is technically challenging to construct a full-ring SiPM PET system based on the individual readout scheme as it requires several thousands of high-speed back-end data acquisition (DAQ) channels, which significantly increases the complexity and manufacturing costs of the PET scanner development. Consequently, it is essential to utilize an appropriate SiPM signal readout technique in PET systems to alleviate the readout burden of subsequent DAQ modules without compromising the PET system performance.

In this thesis, we propose several advanced SiPM readout techniques that can be useful for developing next-generation brain PET systems. Furthermore, as an initial prototype for the next-generation brain PET system, we present a scanner design and performance of a long axial field-of-view brain PET system developed for simultaneous brain PET/magnetic resonance imaging (MRI) of human brains with high resolution and high sensitivity.

양전자 방출 단층 촬영 (PET) 은 생체의 대사 과정과 분자 경로를 비침습적으로 시각화하는 강력한 진단 도구이다. 고령화 사회의 도래와 함께, 방사성 의약품을 사용하여 뇌신경 질환을 조기에 진단 할 수 있는 뇌영상에 대한 수요가 점차 증가하고 있다. 현재 임상에서는 일반적으로 전신 PET 스캐너로 환자의 뇌 영상을 획득하기 때문에 얻어진 뇌 PET 영상이 상대적으로 낮은 해상도 특성을 지닌다. 따라서, 고해상도와 고민감도 특성을 지니는 뇌전용 PET 시스템을 개발한다면 PET 스캔을 활용한 뇌신경 질환의 초기 진단 능력을 크게 향상 시킬 수 있을 것이다.

최신 PET 스캐너 개발에는 주로 실리콘광증배관 (SiPM) 이라 불리는 광소자가 널리 활용 되고 있는데, 이는 SiPM의 작은 픽셀 크기, 빠른 시간 응답 및 높은 광자 검출 효율 특성 때문이다. 이론적으로, SiPM 신호를 개별적으로 판독하면 SiPM 출력 신호에서 원하지 않는 저항-축전 지연 (RC constant) 을 완화하여 최적의 PET 검출기 성능을 얻을 수 있다고 알려져있다. 그러나, 개별 판독 체계를 기반으로 전체 PET 시스템을 구축하는 것은 수천 개의 데이터 수집 (DAQ) 채널이 필요하기 때문에 기술적으로 어려울 뿐만 아니라, PET 시스템의 복잡성과 제조 비용을 크게 증가시킨다. 따라서, PET 시스템 성능을 저하시키지 않으면서 후속 DAQ 모듈의 데이터 획득 부담을 완화시킬 수 있는 적절한 SiPM 신호 판독 기술을 활용하는 것은 PET 시스템 개발에서 필수 요소이다.

본 박사학위논문에서는 차세대 뇌전용 PET 시스템 개발에 유용할 향상된 SiPM 판독 기술을 몇 가지 소개한다. 또한, 차세대 뇌전용 PET 시스템의 초기 프로토타입으로서, 동시 뇌 PET/자기공명영상 (MRI) 획득이 가능한 고해상도 및 고민감도 특성의 장축시야각을 지니는 뇌전용 PET 스캐너의 디자인 및 성능을 소개한다.