eng
Выпуск #1/2015
Р.Рейлман, А.Столин, С.Маевский, Д.Проффитт
ПЭТ-детектор на основе кремниевых фотоумножителей
ПЭТ-детектор на основе кремниевых фотоумножителей
Просмотры: 3424
В статье исследуется возможность объединения двух матриц Si-ФЭУ для изготовления небольшого сканера, позволяющего проводить исследования животных методом позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Детекторный модуль состоит из матрицы формата 26 × 58 сцинтилляционных LYSO элементов с размерами 1,5 × 1,5 мм (размер сцинтилляционной матрицы 41 × 91 мм), соединенной с двумя матрицами Si-ФЭУ производства компании SensL.
Теги: photodetector array silicon photo-multiplier time-of-flight positron-emission-tomography времяпролетная эмиссия кремниевый фотоумножитель матричный фотоприемник позитронно-эмиссионная томография
П
оявление кремниевых фотоумножителей (Si-ФЭУ)[1] позволило создать компактный, эффективный, невосприимчивый к магнитному полю сканер для позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Для того чтобы получить все описанные преимущества необходимо продумать конструкцию ПЭТ-сканеров с большим полем обзора на основе кремниевых фотоумножителей. В этой статье исследуется возможность объединения двух матриц Si-ФЭУ для изготовления небольшого ПЭТ сканера для исследования животных. Детекторный модуль состоит из матрицы формата 26 × 58 сцинтилляционных LYSO-элементов с размерами 1,5 × 1,5 мм (размер сцинтилляционной матрицы 41 × 91 мм) соединенной с двумя матрицами Si-ФЭУ производства компании SensL. Для считывания сигналов с Si-ФЭУ специально для этого проекта была разработана специализированная электроника. Для упрощения вычисления местоположения сцинтилляционного события на матрицах Si-ФЭУ необходимо распределить свет от сцинтиллятора между несколькими элементами за счет применения небольшого световода. Этот метод позволил получить сигнал с каждого элемента сцинтилляционной матрицы даже на стыке двух матриц Si-ФЭУ. В связи с тем, что производительность Si-ФЭУ улучшается при охлаждении, детекторный модуль был оснащен охлаждающей системой, что позволило контролировать температуру устройства и электроники. Испытания показали, что при снижении температуры с 28 до 16°C показания коэффициента контрастности максимального и минимального значения света полученного от сцинтилляционной матрицы улучшились примерно на 45%. Энергетическое разрешение для излучения по линии 511 кэВ улучшилось с 18,8% при 28°C до 17,8% при 16°C. Наконец, было обнаружено, что временное разрешение устройства недостаточно для времяпролетных применений (примерно 2100 пс при 14°C). Такие детекторные модули будут впервые применяться в производстве небольших ПЭТ-сканеров, интегрированных в клинические сканеры магниторезонансной томографии с магнитным полем в 3 Тл.
Разработке комбинированных медицинских систем ПЭТ-МРТ уделяется большое внимание на протяжении последних 20 лет. Действительно, подобный объединенный медицинский комплекс был предложен в середине 1990-х годов. Такую систему не могли реализовать до начала 2000-х годов, но тем не менее как только на рынке появились матрицы лавинных фотодиодов, были разработаны первые опытные образцы. К ним относится ПЭТ-сканер на основе лавинных фотодиодов, совместимый с магниторезонансной томографией. Это было совместное изобретение Калифорнийского университета в Дэвисе и университета Тюбингена. Устройство состояло из детекторных модулей, включающих в себя матрицы из 10 × 10 элементов сцинтиллятора ортосиликата лютеция (LSO) с размерами 2 × 2 × 12 мм, соединенных с матрицей из 3 × 3 лавинных фотодиодов посредством акрилового световода толщиной 3,5 мм. Активная область детекторного модуля составляла приблизительно 2 × 2 см. В состав ПЭТ сканера входила маленькая магнитно-резонансная радиочастотная катушка для использования в МРТ-сканере для животных с величиной индукции магнитного поля в 7 Тл. Гразиосо с соавторами из компании Siemens Molecular Imaging Ноксвилл (штат Теннесси, США) также использовали лавинные фотодиоды в производстве МРТ совместимого ПЭТ детекторного модуля, разработанного для расположения внутри области формирования изображения клинического МРТ-сканера с величиной индукции магнитного поля в 1,5 Тл. Это устройство включало в себя матрицы из 8 × 8 LSO элементов с размерами 2 × 2 × 20 мм , соединенные с матрицей из 2 × 2 лавинных фотодиодов. Модули успешно прошли испытания в составе МРТ сканера Siemens Symphony с величиной индукции магнитного поля в 1,5 Тл. Это работа привела к созданию первого серийного ПЭТ-МРТ сканера компании Siemens. Но хотя сканеры с такими модулями и имели относительно хорошие характеристики, их производительность была в конечном счете ограничена относительно низким соотношением сигнал-шум из-за низкого коэффициента усиления и температурных шумов лавинных фотодиодов.
Возможно, самым значительным этапом в создании высокопроизводительного МРТ совместимого ПЭТ-сканера было изобретение матриц кремниевых фотоумножителей. Эти фотоприемники имеют существенно больший коэффициент усиления в сравнении с лавинными фотодиодами и сравнимый с классическими ФЭУ (порядок 1 × 106). Они также невосприимчивы к магнитным полям, как и лавинные фотодиоды. Довольно большое число исследователей разработало МРТ совместимые ПЭТ-сканеры. Например, группа ученых из Национального Университета Сеула разработала ПЭТ детекторный модуль на основе Si-ФЭУ с размерами активной области 32,4 × 28,7 мм. Заявленное энергетическое разрешение детектора для излучения по линии 511 кЭв составляло 13,9%. Группа ученых из Голландии разработала ПЭТ детекторный модуль, использующий цельный сцинтиллятор LYSO с размерами 13,2 × 13,2 × 10 мм, установленный на матрицу из 4 × 4 Si-ФЭУ. Использование монолитного сцинтиллятора позволило оценить глубину взаимодействия каждого фотона. Наконец, группа исследователей под руководством Шульца разработала ПЭТ детекторный модуль на основе матрицы из 22 × 22 LYSO элементов с размерами 1,3 × 1,3 × 10 мм , соединенной с матрицей Si-ЭУ. Единственным недостатком этих модулей был относительно небольшой размер активной области, что не позволяло получить потенциальную производительность Si-ФЭУ, не охладив его до низких температур (ниже 22 °C).
Материалы и методы
Целью этого проекта было создать ПЭТ детекторный модуль на основе Si-ФЭУ, который использовался бы в качестве встраимового блока в небольшой широкоугольный ПЭТ-сканер для животных в составе клинического МРТ-сканера с величиной индукции магнитного поля в 3 Тл. Для улучшения стабильности и производительности Si-ФЭУ была разработана охлаждающая система модуля. Наконец, использование мультиплексной схемы для сокращения общего количества каналов сбора данных, содействовало созданию практичных и экономически эффективных ПЭТ сканеров.
Конструкция детектора
Новые детекторные модули используют матрицу из 26 × 58 LYSO элементов с размерами 1,5 × 1,5 × 10 мм (шаг = 1,57 мм), разделенных ESR отражателями (производство компании Proteus, Ноксвилл, США). Таким образом активная область детектора составляет 41,2 × 91,5 мм, что больше активной области других детекторных модулей на основе Si-ФЭУ. Матрица LYSO элементов соединяется с двумя фотоприемниками фирмы SensL ArraySL-4p9 (SensL Technologies, Корк, Ирландия). Эти фотоприемники состоят из матриц Si-ФЭУ ArraySL-4, расположенных в формате 3 × 3. Каждая матрица ArraySL-4 имеет 16 (4 × 4) пикселов с размерами 3,05 × 3,05 мм (4774 микроячейки). Их коэффициент усиления при комнатной температуре и нормальных условиях составляет 2,4 × 106. Таким образом, каждый фотоприемник ArraySL-4p9s имеет 3 × 3 × 4 × 4 = 144 независимых каналов данных; общий размер чувствительной области составляет 48 × 48 мм. Для оптического соединения двух матриц Si-ФЭУ с матрицей сцинтилляторов используется акрил толщиной 2 мм. Световод необходим для того, чтобы распространить свет от сцинтилляторов для перекрытия оптического зазора между двумя матрицами Si-ФЭУ. Таким образом, сцинтилляционный свет, излучаемый элементами, расположенными над стыком двух матриц Si-ФЭУ, передается в активную область матриц. Световод также распространяет сцинтилляционный свет среди пикселов массивов Si-ФЭУ, что облегчает вычисление положения события в массиве сцинтиллятора (см. рис.1 и рис.2). Необходимо отметить, что матрицы Si-ФЭУ больше по размерам матрицы сцинтилляторов. Такая геометрия была выбрана для того, чтобы элементы сцинтиллятора на краях массива были расположены напротив активной области матрицы Si-ФЭУ, что упрощает идентификацию всех элементов матрицы сцинтилляторов. Данная конструкция позволяет сократить интервалы чувствительности детектора в том случае, когда модули сформированы в виде кольца для того, чтобы образовать сканер.
Охлаждающая система детектора
Как и в случае большинства твердотельных устройств, производительность Si-ФЭУ зависит от температуры. Снижение их рабочей температуры сокращает температурные шумы (темновой ток) и увеличивает коэффициент усиления. Коэффициент усиления увеличивается из-за снижения напряжения пробоя при низких температурах, при условии постоянного напряжения смещения. Температура детектора может быть снижена, если его поместить в охлаждающий кожух. В частности, для защиты матрицы Si-ФЭУ ArraySL-4p9 и считывающей электроники использовалась прямоугольная медная пластина толщиной 4,75 мм. К внешней части корпуса припаян канал, состоящий из медной трубки с размерами 2,38 × 2,38 мм. К каждому концу канала припаяны разъемы с выводами. По каналу циркулирует раствор 50%-ной холодной дистиллированной воды и 50%-ного этиленгликоля, который в свою очередь охлаждает медную оболочку. Медь соединяется с гранями матриц Si-ФЭУ, тем самым охлаждая их. Жидкость охлаждается мини-охладителем производства Peter Huber Kältemaschinenbau GmbH (Оффенбург, Германия). Это устройство может охладить циркулирующую жидкость до температуры –10°C и имеет мощность охлаждения 300 Вт при температуре 14°C. Такой мощности достаточно для одновременного охлаждения до 250 модулей до температуры 14°C (каждый модуль поглощает примерно 1,2 Вт мощности). Для конвекционного охлаждения модуля в устройство подается воздух посредством трубки с внутренним диаметром 3,175 мм, снабженный охлаждающим кожухом. Трубка имеет семь небольших отверстий, которые позволяют воздуху дойти до считывающей электроники. Воздух перемещается по трубке с внутренним диаметром 4,76 мм, подсоединенной к медицинскому воздушному рециркулятору в исследовательской зоне. Воздух предварительно охлаждается пропусканием охлаждающей жидкости через теплообменник в контакте с трубкой. Все материалы, используемые для охладителя, имеют высокую теплопроводность и немагнитные характеристики. На рис. 2 показан ПЭТ-детектор с охладителем. Система охлаждения способна производить равномерное охлаждение поверхности матрицы Si-ФЭУ ArraySL-4p9 (вариативность температуры < ~0.6 °C). На рис. 3 показано инфракрасное изображение передней поверхности охлажденного модуля без сцинтиллятора. Обратите внимание, что видимые нагретые участки в рубашке охлаждения вызваны отражением окружающего света от меди и несоответствием излучательной способности меди и настройки коэффициента излучения в ИК-камере, которая была настроена на излучательную способность кремния.
Считывание Si-ФЭУ и система сбора данных
Каждая матрица Si-ФЭУ содержит 144 отдельных элемента, таким образом наш детекторный модуль на двух матрицах ArraySL-4p9s имеет 288 индивидуальных аналоговых выходов. Такое количество данных усложняет считывание сигналов с одного устройства, не говоря уже о большем количество модулей, которые будут составлять сканер. Таким образом, чтобы сделать устройство более подходящим для использования в больших системах, число выходных каналов для каждой матрицы Si-ФЭУ ArraySL-4p9 было снижено со 144 до 4, в результате получилось всего восемь аналоговых выходов на модуль. Эта задача была выполнена с помощью мультиплексной системы считывания, разработанной в сотрудничестве с компанией AiT Instruments (Нюпорт-Ньюс, США).
Мультиплексирование выходного сигнала осуществляется в два этапа. Во-первых, симметричная схема деления заряда разделяет 144 канала массива 12х12 матрицы Si-ФЭУ ArraySL-4p9 на 12 строк и 12 столбцов. Эти сигналы сводятся к четырем каналам путем применения взвешенного усиления для каждой строки и каждого столбца пропорционально его положению вдоль каждой оси. Такое кодирование амплитуды создает два сигнала (Х+, Х-), представляющих столбец местоположения события и два сигнала (Y+, Y-), представляющих строку местоположения события. Новая методика деления заряда, разработанная компанией AiT Instruments, использует активные диоды вместо резисторов для обработки сигналов Si-ФЭУ до усиления. В частности, диод помещается между фотодетектором и быстрым трансимпедансным усилителем. Когда сигнал на фотодетекторе имеет положительную полярность, то низкое прямое сопротивление диода позволяет току течь от фотодетектора до усилителя, в то же время высокое обратное сопротивление диода не дает току протекать от усилителя до фотодетектора. На рис. 4 показана схема считывающей электроники. Диоды сокращают нежелательные токи утечки Si-ФЭУ. Снижение токов утечки улучшает пространственную однородность и позиционирование события.
Нелинейное прямое сопротивление диодов ослабляет сигналы с небольшой амплитудой, схожей с пороговой амплитудой, что приводит к снижению шума. Диоды изолируют собственную емкость Si-ФЭУ в группе Si-ФЭУ, когда каждый фотодетектор соединяется с трансимпедансным усилителем, что снижает воздействие суммарной емкости и потери заряда в больших массивах Si-ФЭУ. Кроме того, время нарастания выходного сигнала с трансимпедансного усилителя меньше, чем у непосредственно связанных схем считывания.
Выводы схемы платы считывания соединены с интерфейсным модулем (модель SiPMIM4х4, AiT Instruments), который может считывать сигналы максимум с четырех матриц Si-ФЭУ ArraySL-4p9 (эквивалентно двум или четырем модулям). Модуль выводит индивидуальные аналоговые сигналы со считывающей электроники на разъем с 34 контактами, расположенный на передней панели устройства. В дополнение модуль суммирует выходные сигналы с каждой матрицы Si-ФЭУ ArraySL-4p9. Эти сигналы используются для запуска аналого-цифрового преобразования Х-Y выходов. Кроме того, интерфейсный модуль подает питание и напряжение смещения на считывающую электронику. Наконец, существует возможность отслеживания напряжения смещения, тока, а также температуры на каждом Si-ФЭУ (за счет датчиков температуры, расположенных на плате) с помощью вывода с 24 контактами на интерфейсном модуле.
Аналоговые сигналы напряжения от интерфейсного модуля проходят через 34-контактный кабель к многоканальному аналого-цифровому преобразователю (АЦП) на основе ПЛИС (АЦП производства AiT Instruments). Каждый канал использует аналоговую задержку для компенсации задержки триггера, за которым следует закрытый интегратор и АЦП для оцифровки интегрированного сигнала. Такие устройства могут обрабатывать сигналы максимально с 64 каналов (каждый блок АЦП может работать максимально с 8 детекторными модулями). Оцифровка аналоговых сигналов отсчитывается логическими импульсами. Логические сигналы создаются путем прохождения суммирующих выходных сигналов с интерфейсного модуля (один с каждой матрицы Si-ФЭУ ArraySL-4p9) через усилитель-дискриминатор (модель 751, Philips Scientific) с последующей комбинацией двух выходных сигналов амплитудных дискриминирующих импульсов с помощью логической операции ИЛИ в логическом блоке (модель 755, Philips Scientific). Оцифрованные выходные сигналы передаются на управляющий компьютер через интерфейс USB 2.0. На рис. 5. показана схема системы сбора данных, используемая для испытаний модуля.
Определение точки взаимодействия фотона в массиве сцинтилляторов выполняется путем вычисления в системе центра масс оцифрованных сигналов от считывающей электроники совместно с предварительно рассчитанной справочной таблицей (часто упоминается как карта кристалла). Эта карта сопоставляет положение события с номером пиксела сцинтиллятора. Кроме того, для того чтобы рассчитать энергию заряженных частиц, взаимодействующих со сцинтиллятором, с данными сопоставляется предварительно полученная таблица калибровки энергии. Эта таблица содержит информацию для каждого пиксельного элемента матрицы сцинтиллятора, который преобразует номер канала АЦП в энергию. Сбор данных осуществляется с помощью программной среды Kmax производства Sparrow Corp (Порт-Ориндж, США).
Испытания детекторного модуля
Тестирование проводилось с целью определения возможностей и ограничений детекторного модуля. Во-первых, зависимость темнового тока от температуры определялась путем измерения тока, потребляемого Si-ФЭУ (без приложенного сцинтиллятора) при пониженной температуре. Для оценки способности системы идентифицировать элементы сцинтиллятора при пониженной температуре модуль был облучен шестью источниками излучения 4,5 мкКюри 22Na (производство Eckert & Ziegler, США) в форме дисков, равномерно распределённых по всей поверхности модуля. Данные считывались в течение 300 с. Приложенное напряжение смещения составляло 30,4 В, что является рекомендуемым напряжением для данного Si-ФЭУ при комнатной температуре. Таким образом, появилась возможность оценить, какое влияние оказывает изменение температуры на производительность модуля при постоянном напряжении смещения. Стоит отметить, что коэффициент усиления Si-ФЭУ напрямую зависит от разницы между напряжением смещения и напряжением пробоя, также известным как перенапряжение. При охлаждении устройства, напряжение пробоя понижается. Поскольку напряжение смещения является постоянным, это приводит к увеличению перенапряжения и, следовательно, повышению коэффициента усиления при понижении температуры. Необходимо отметить, что коэффициент усиления Si-ФЭУ может быть увеличен за счет повышения напряжения смещения, но в этом случае увеличиваются и показатели темнового тока. Полученные данные были использованы для создания двумерного графика обнаруженных положений события. Карта пикселов создается из одного неповторяющегося события. Эти данные использовались для расчета степени контрастности между максимальным и минимальным значениями сигнала для каждого элемента детектора, который рассчитывается путем вычитания отсчетов, находящихся в области между расположением соседних элементов детектора (минимальное значение), из отсчетов, находящихся в области детекторного элемента (максимального значения), и делением на количество отсчетов в области детекторного элемента. Этот параметр является мерой точности вычисления центра масс и используется для обнаружения места попадания фотона на детектор. Для того чтобы избежать неотъемлемую вариативность в использовании профилей интенсивности для определения максимальных и минимальных значений, коэффициент контрастности рассчитывается с использованием программного обеспечения, специально созданного для поиска максимальных и минимальных значений на пиксельной карте. Значения коэффициента контрастности для каждого сцинтилляционного элемента были суммированы, чтобы получить среднее значение для модуля при данной температуре. Измерения проводились как без использования охлаждающего кожуха (температура устройства около 28°C), так и при включенной охлаждающей системе (температура варьировалась от 22 до 16°C с шагом в 2°C). Данный диапазон был признан достаточным для стандартной работы детектора.
Временное разрешение схемы совпадений
Временное разрешение схемы совпадений детекторного модуля измерялось путем помещения его в режим совпадения с быстрым детектором, включающим в себя LSO-сцинтиллятор с размером 1 см3, соединенный со стеклянным фотоэлектронным умножителем Hamamatsu R2496 PMT (Hamamatsu Photonics, Япония). Распространение времени прохождения электронов этого устройства составляет 600 пс – длительность импульса на уровне половины амплитуды. Между детекторным модулем и быстрым детектором (расстояние около 3 см) были помещены 3 дисковых источника 4,5 мкКюри 22Na. Входные сигналы от Si-ФЭУ и ФЭУ были подсоединены к усилителю- дискриминатору (модель 6951, Philips Scientific). Полученные импульсы были переданы на TDC-преобразователь "время-цифровой код" (ATMD-GPX, ACAM Electronics, Германия). Сигнал от быстрого детектора был стартовым сигналом, а сигнал с детекторного модуля был стоп-сигналом. Временное разрешение схемы совпадений было рассчитано путем сопоставления полученного распределения с функцией Гаусса. Усредненная длительность импульса на уровне половины амплитуды (с поправкой на распространение времени прохождения ФЭУ, используемого для получения сигнала запуска) является временным разрешением схемы совпадений модуля.
Результаты
График, показанный на рисунке 6а, демонстрирует уменьшение темнового тока при снижении температуры. Как можно видеть, проведя аппроксимирующую прямую на графике, зависимость темнового тока от температуры линейная в этом температурном диапазоне. На рис.6б показан график зависимости коэффициента усиления от температуры матрицы Si-ФЭУ ArraySL-4, рассчитанного из данных SensL.
Коэффициент усиления растет при понижении температуры, так как он непосредственно связан с перенапряжением, которое увеличивается при снижении температуры (при условии постоянного напряжения смещения). На рисунке 7а показана карта пикселов. Важно отметить, что все 26 × 58 LYSO детекторные элементы матрицы сцинтиллятора различимы, даже на гранях и в месте стыка двух матриц. Этот вывод имеет важное значение, так как идентификация элементов в этих районах может быть сложной задачей. На рису.7б показан профиль интенсивности одного ряда пиксельной карты, представленной на рис.7а. Коэффициент контрастности и энергетическое разрешение были измерены с пиксельных карт, схожих с показанной на рис.7. На рис.8а – график зависимости коэффициента контрастности от температуры. На рис. 8б – зависимость энергетического разрешения от температуры. Наконец, рис.9а демонстрирует рассчитанные кривые временного разрешения схемы совпадений, а рядом рис. 9б – результаты измерений временного разрешения схемы совпадений. Кривая соответствует функции TRes = M1 + M2e(M3T), где M1 – это независимый от температуры компонент временного разрешения схемы совпадений модуля (TRes), M2 – амплитуда экспоненциального компонента временного разрешения, М3 – температурный коэффициент временного отклика и Т – это температура на Si-ФЭУ. Лучшее временное разрешение, полученное на этом детекторе, составляет примерно 2112 пс (значение независимого от температуры компонента кривой), что лишь немногим меньше нашего измеренного значения 2115 пс при 16°C. Довольно проблематично привести результаты измерений других групп исследователей ввиду большого количества вариантов устройств и методов измерений. Результаты групп исследователей, занимавшихся измерением временного разрешения Si-ФЭУ детекторов в паре с LYSO сцинтиллятором, варьируются в пределах от 120 до 1500 пс. Необходимо заметить, что ни одно из этих исследований не проводилось на основе матрицы Si-ФЭУ SensL ArraySL-4p9.
Обсуждение
После изобретения Si-ФЭУ стало возможным производство ПЭТ-детекторов, не подверженных воздействию сильных магнитных полей. Тем не менее, коммерчески доступные матрицы Si-ФЭУ не обладают достаточными размерами для создания ПЭТ-сканеров с широким углом обзора. Таким образом, для того чтобы получить крупные блоки, необходимо использовать большое количество соединенных между собой матриц Si-ФЭУ. В данном исследовании был разработан и протестирован детекторный модуль на основе Si-ФЭУ, который будет использоваться в качестве встраиваемого блока для планируемого небольшого ПЭТ сканера животных.
На рис.1 показан детектор и электронные компоненты устройства. Завершенный ПЭТ детекторный модуль с охлаждающей системой можно видеть на рис.2. Эта система способна производить практически равномерное охлаждение матриц Si-ФЭУ, как видно из инфракрасного изображения устройства на рис.3, что очень важно для поддержания постоянной производительности активной области детектора. Все компоненты детектора, включая электронику, показанную на рис.4 и 5, и охлаждающую систему, можно промасштабировать для создания больших детекторных модулей. Данные, показанные на рис.6, демонстрируют, что понижение температуры способствует увеличению коэффициента усиления и уменьшению темнового тока. Темновой ток имеет линейную зависимость от температуры на всем тестируемом диапазоне (можно видеть на графике, рис.6а) с отклонением 2 мкА/°C. Охлаждение Si-ФЭУ отводит энергию с устройства, понижая вероятность возникновения спонтанных электронно-дырочных пар, следовательно, темновой ток уменьшается. Увеличение коэффициента усиления с понижением температуры (рис.6б) происходит из-за уменьшения напряжения пробоя, которое связано с уменьшением вероятности фонон-электронного взаимодействия при низких температурах. Пока напряжение смещения остается постоянным, перенапряжение и, следовательно, коэффициент усиления устройства растут. Следует отметить, что снижение темнового тока немного смещается при увеличении коэффициента усиления (темновой ток усиливается по тому же принципу, что и сигнал). Для компенсирования понижения коэффициента усиления за счет увеличения температуры (из-за рассеиваемой мощности Si-ФЭУ и считывающей электроники) вместо охлаждения возможно использовать метод увеличения напряжения смещения. Этот метод, однако, не затрагивает увеличение темнового тока из-за высоких температур. Большие матрицы Si-ФЭУ (288 в случае нашего модуля) с мультиплексной электроникой считывания особенно восприимчивы к эффектам увеличения темнового тока, так как сигнал с каждого Si-ФЭУ делает свой вклад в шумы детектора. Таким образом, охлаждение считается лучшим способом улучшить и стабилизировать работу рассматриваемого детектора.
Карта пикселей изображенная на рис.7 показывает, что все элементы детектора различимы, даже те, которые находятся на краях матрицы сцинтилляторов. Невозможность идентификации всех элементов сцинтиллятора часто связана с сокращением эффективности обнаружения на краях фотоприемника. В рассматриваемом детекторе две матрицы Si-ФЭУ ArraySL-4p9 приблизительно на 2,5 мм шире и длиннее матрицы сцинтиллятора. Таким образом, возможность эффективного считывания крайних элементов сцинтиллятора обусловливается нахождением сцинтилляционной матрицы в пределах активной области Si-ФЭУ. Такое отсутствие слепых зон детектора сокращает возможное ухудшение чувствительности на стыке двух соседних модулей при реализации их в виде конструкции кольцевого сканера, уменьшая помехи, вызываемые неполной угловой выборкой. Другая важная находка карты пикселов в том, что были обнаружены элементы сцинтиллятора, находящиеся в месте стыка двух матриц Si-ФЭУ ArraySL-4p9. Из этого следует, что у данного детектора нет слепых зон. Это стало возможным благодаря использованию двухмиллиметрового акрилового световода, который распространяет свет от сцинтиллятора в тех местах, где нет Si-ФЭУ, в сторону активной области устройства. Увеличение коэффициента усиления и сокращение темнового тока за счет охлаждения также вносит свой вклад в обнаружение фотонов, появляющихся в месте стыка двух матриц Si-ФЭУ. Успех такой конструкции означает то, что теоретически возможно реализовать конструкцию с большим количеством матриц Si-ФЭУ для создания крупных детекторных модулей.
Возможно, лучший способ выяснить, насколько увеличенный сигнал и пониженный уровень шума влияет на производительность детектора, это оценить точность, с которой события локализуются в массиве сцинтиллятора. Чтобы охарактеризовать эту величину, мы вычислили средний коэффициент контрастности максимального и минимального значения сцинтилляционной вспышки для модуля. Результаты, показанные на рис.8а, демонстрируют, что значение этого коэффициента вырастает примерно на 45% при понижении температуры с 28 до 16°C. Как было описано, выше охлаждение детектора увеличивает коэффициент усиления и сокращает значение темнового тока, тем самым амплитуда сигнала повышается, а уровень шума снижается. Так как эти сигналы используются для вычисления местоположения события в массиве сцинтиллятора с алгоритмом вычисления центра масс, более высокие амплитудные сигналы при низких шумах делают эти расчеты точнее. Хотя увеличение коэффициента контрастности максимального и минимального значений сцинтилляционной вспышки должно привести к улучшению пространственного разрешения, но все же это не является прямым показателем данного параметра. В конечном счете, улучшение пространственного разрешения в результате охлаждения Si-ФЭУ может быть оценено только после того, как будет получен опытный образец сканера.
Увеличенная амплитуда сигнала и пониженный уровень шума, полученные за счет охлаждения модуля, также улучшают показатель энергетического разрешения, так как коэффициент усиления тоже возрастает. Результаты на рис.8б подтверждают, что показатель энергетического разрешения изменился с 18,8% при температуре 28°C до 17,7% при температуре 16°C для излучения 511 кЭв. Это небольшие изменения в исследуемом интервале температур, вероятно, возникают из-за того, что на энергетическое разрешение модуля влияют различия светового выхода из 1508 отдельных сцинтилляционных элементов и небольшие различия в коэффициенте усиления среди 288 отдельных Si-ФЭУ. Ни один из этих эффектов не имеет сильной зависимости от температуры. Результаты, показанные на рис.9, демонстрируют то, что охлаждение Si-ФЭУ улучшает временное разрешение схемы совпадения рассматриваемого детекторного модуля. Временное разрешение схемы совпадения невелико по сравнению с показаниями других исследователей Si-ФЭУ. Например, группа исследователей под руководством Сейферта докладывает о самом лучшем показателе временного разрешения в 171 пс. В отличие от рассматриваемого в данной статье исследования, они использовали монолитный LYSO-сцинтиллятор размером 3 × 3 мм, соединенный с единичным Si-ФЭУ Hamamatsu (в отличие от матрицы Si-ФЭУ и матричного сцинтиллятора). Действительно, почти все показатели временного разрешения схемы совпадений, о которых рассказывается в научных изданиях, рассчитаны для единичного или небольшого числа соединений Si-ФЭУ со сцинтилляционной матрицей, в отличие от наших результатов для массива из 26 × 58 элементов LYSO-сцинтиллятора с размерами 1,5 × 1,5 мм каждый (в общей сложности размер сцинтиллятора 41 × 91 мм), соединенного с 288-ю Si-ФЭУ. Этот эффект исследовала группа ученых под руководством Шимицу. Они сравнивали временное разрешение схемы совпадения единичного Si-ФЭУ и матрицы Si-ФЭУ. В частности, временное разрешение схемы совпадения комбинации для единичного Si-ФЭУ (MPPC) и сцинтиллятора (кристалл сцинтиллятора с размерами 5 × 5 × 20 мм) составляло 354 пс, а для матрицы с 8 × 8 элементами Si-ФЭУ этот показатель возрастал до 1208 пс. Такое увеличение временного разрешения схемы совпадения для больших матриц обусловлено, по крайней мере, частично, выбором схемы считывания и отсутствием широкой временной калибровки модуля.
Наши результаты показывают, что временное разрешение схемы совпадений имеет как температурно-независимый компонент, так и компонент экспоненциально зависимый от температуры. Наиболее предпочтительное объяснение температурной зависимости связано с фактом того, что при понижении температуры коэффициент усиления матрицы Si-ФЭУ увеличивается, что увеличивает эффективность регистрации фотонов (PDE – photon detection efficiency). Эффективность регистрации фотонов оказывает большое влияние на временное разрешение схемы совпадений. Другой эффект, возникающий при понижении температуры, – это снижение темнового тока, которое также влияет на временное разрешение. Температурно-независимый компонент оказывает основное влияние на временное разрешение матрицы Si-ФЭУ ArraySL-4p9. Поскольку временное разрешение схемы совпадений зависит от длины сцинтилляционного элемента, качества обработки его поверхности и присутствия световода толщиной 2 мм, большая часть независимого от температуры компонента обусловлена взаимодействием внутренней емкости Si-ФЭУ со схемой мультиплексного считывания. В частности, это взаимодействие влияет на время нарастания выходных импульсов, что ухудшает временное разрешение. Таким образом, о чем мы уже говорили, показатели временного разрешения схемы совпадений нашего детекторного модуля могут быть немного улучшены за счет снижения температуры. Значительное улучшение временного разрешения схемы совпадений потребует изменения конструкции матрицы Si-ФЭУ ArraySL-4p9, считывающей электроники (возможно, с использованием специализированных СБИС) и временной калибровки модуля.
В итоге был создан ПЭТ-детектор с большим углом обзора на основе матрицы кремниевых фотоумножителей SensL ArraySL-4p9. Модуль имеет как охлаждающую систему, так и специальную электронику для считывания и обработки поступаюших с детектора сигналов. Производительность по оценке измерения некоторых соответствующих показателей была многообещающей. Следующий шаг – это объединение 12-ти модулей в форме кольца для небольшого ПЭТ-сканнера для животных в составе МРТ-сканера с величиной индукции магнитного поля в 3 Тл.
Авторы благодарят Карла Джексона и Уэйда Апплмана из компании SensL Technologies Ltd. за их помощь в работе с кремниевыми умножителями. Эта работа получила поддержку фонда NIBIB (R01 EB007349).
Литература
Ahmed M., Camanzi B., Matheson J. – Nucl. Instrum. Methods A 695 (2012) 252.
Chagani H., Dolenec R., Korpar S. et al. – IEEE Nucl. Sci. Symp. Med. Imaging Conf. Rec. 1 (2009) 1518.
Christensen N.L., Hammer B.E., Heil B.G. et al. – Phys. Med. Biol. 40 (1995)691.
Gazioso R., Hang N., Corbeil J. – Nucl. Instrum. Methods A 569 (2006) 301.
Lee C., Kim Y.S., Sul W.S. – Nucl. Instrum. Methods A 633 (Suppl 1) (2011) S163.
Llosa G., Belcari N., Bisogni M. et al. – A. Del Guerra, IEEE Trans. Nucl. Sci. 56 (2009) 543.
Llosa G., Barrio J., Cabello J. et al. – IEEE Nucl. Sci. Symp. Med. Imaging Conf. Rec. 1 (2011) 3631.
Pichler B.J., Judendofer M.S., Catana C. et al. – Nucl. Med. 47 (2006) 639.
Piemonte C., Gola A., Mazzuca E. et la. – IEEE Nucl. Sci. Symp. Med. Imaging Conf. Rec. 1 (2010) 1804.
Raylman R.R., Hammer B.E., Christensen N.L. – IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-43 (1996) 2406.
Roncali E., Cherry S.R. – Ann. Biomed. Eng. 39 (2011) 1358.
Schaart D.R., van Dam H.T., Seifert S. et al. – Phys. Med. Biol. 54 (2009) 3501.
Schulz V., Weissler B., Gebhardt P. et al. – IEEE Nucl. Sci. Symp. Med. Imaging Conf. Rec. 1 (2011) 4467.
Seifert S., Vinke R., van Dam H.T. – IEEE Nucl. Sci. Symp. Med. Imaging Conf. Rec. 1 (2009) 2329.
SensL Technologies, LTD., Cork Ireland 2011, ArraySL-4 Scalable Silicon Photomultiplier Array Data Sheet.
Shimizu K., Uchida H., Sakai K. – IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-60 (2013) 1512.
Solf T., Schulz V., Weissler B., – IEEE Nucl. Sci. Symp. Med. Imaging Conf. Rec. 1 (2009) 2798.
Van Dam H.T., Borghi G., Seifert S. et al. – Phys. Med. Biol. 54 (2013) 3243.
Wang Y., Zhang Z., B.Wang. – Nucl. Instrum. Methods A 670 (2012) 49.
Yamamoto S., Imaizumi M., Watabe T. et al. – Hatazawa, Phys. Med. Biol. 55 (2010) 5817.
Yoon H.S., Ko G.B., Kwon S.I. et al. – Nucl. Med. 53 (2012) 608.
Zorzi N., Melchiorri M., Piazza A. – Nucl. Instrum. Methods A 636 (2011) S208.
оявление кремниевых фотоумножителей (Si-ФЭУ)[1] позволило создать компактный, эффективный, невосприимчивый к магнитному полю сканер для позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Для того чтобы получить все описанные преимущества необходимо продумать конструкцию ПЭТ-сканеров с большим полем обзора на основе кремниевых фотоумножителей. В этой статье исследуется возможность объединения двух матриц Si-ФЭУ для изготовления небольшого ПЭТ сканера для исследования животных. Детекторный модуль состоит из матрицы формата 26 × 58 сцинтилляционных LYSO-элементов с размерами 1,5 × 1,5 мм (размер сцинтилляционной матрицы 41 × 91 мм) соединенной с двумя матрицами Si-ФЭУ производства компании SensL. Для считывания сигналов с Si-ФЭУ специально для этого проекта была разработана специализированная электроника. Для упрощения вычисления местоположения сцинтилляционного события на матрицах Si-ФЭУ необходимо распределить свет от сцинтиллятора между несколькими элементами за счет применения небольшого световода. Этот метод позволил получить сигнал с каждого элемента сцинтилляционной матрицы даже на стыке двух матриц Si-ФЭУ. В связи с тем, что производительность Si-ФЭУ улучшается при охлаждении, детекторный модуль был оснащен охлаждающей системой, что позволило контролировать температуру устройства и электроники. Испытания показали, что при снижении температуры с 28 до 16°C показания коэффициента контрастности максимального и минимального значения света полученного от сцинтилляционной матрицы улучшились примерно на 45%. Энергетическое разрешение для излучения по линии 511 кэВ улучшилось с 18,8% при 28°C до 17,8% при 16°C. Наконец, было обнаружено, что временное разрешение устройства недостаточно для времяпролетных применений (примерно 2100 пс при 14°C). Такие детекторные модули будут впервые применяться в производстве небольших ПЭТ-сканеров, интегрированных в клинические сканеры магниторезонансной томографии с магнитным полем в 3 Тл.
Разработке комбинированных медицинских систем ПЭТ-МРТ уделяется большое внимание на протяжении последних 20 лет. Действительно, подобный объединенный медицинский комплекс был предложен в середине 1990-х годов. Такую систему не могли реализовать до начала 2000-х годов, но тем не менее как только на рынке появились матрицы лавинных фотодиодов, были разработаны первые опытные образцы. К ним относится ПЭТ-сканер на основе лавинных фотодиодов, совместимый с магниторезонансной томографией. Это было совместное изобретение Калифорнийского университета в Дэвисе и университета Тюбингена. Устройство состояло из детекторных модулей, включающих в себя матрицы из 10 × 10 элементов сцинтиллятора ортосиликата лютеция (LSO) с размерами 2 × 2 × 12 мм, соединенных с матрицей из 3 × 3 лавинных фотодиодов посредством акрилового световода толщиной 3,5 мм. Активная область детекторного модуля составляла приблизительно 2 × 2 см. В состав ПЭТ сканера входила маленькая магнитно-резонансная радиочастотная катушка для использования в МРТ-сканере для животных с величиной индукции магнитного поля в 7 Тл. Гразиосо с соавторами из компании Siemens Molecular Imaging Ноксвилл (штат Теннесси, США) также использовали лавинные фотодиоды в производстве МРТ совместимого ПЭТ детекторного модуля, разработанного для расположения внутри области формирования изображения клинического МРТ-сканера с величиной индукции магнитного поля в 1,5 Тл. Это устройство включало в себя матрицы из 8 × 8 LSO элементов с размерами 2 × 2 × 20 мм , соединенные с матрицей из 2 × 2 лавинных фотодиодов. Модули успешно прошли испытания в составе МРТ сканера Siemens Symphony с величиной индукции магнитного поля в 1,5 Тл. Это работа привела к созданию первого серийного ПЭТ-МРТ сканера компании Siemens. Но хотя сканеры с такими модулями и имели относительно хорошие характеристики, их производительность была в конечном счете ограничена относительно низким соотношением сигнал-шум из-за низкого коэффициента усиления и температурных шумов лавинных фотодиодов.
Возможно, самым значительным этапом в создании высокопроизводительного МРТ совместимого ПЭТ-сканера было изобретение матриц кремниевых фотоумножителей. Эти фотоприемники имеют существенно больший коэффициент усиления в сравнении с лавинными фотодиодами и сравнимый с классическими ФЭУ (порядок 1 × 106). Они также невосприимчивы к магнитным полям, как и лавинные фотодиоды. Довольно большое число исследователей разработало МРТ совместимые ПЭТ-сканеры. Например, группа ученых из Национального Университета Сеула разработала ПЭТ детекторный модуль на основе Si-ФЭУ с размерами активной области 32,4 × 28,7 мм. Заявленное энергетическое разрешение детектора для излучения по линии 511 кЭв составляло 13,9%. Группа ученых из Голландии разработала ПЭТ детекторный модуль, использующий цельный сцинтиллятор LYSO с размерами 13,2 × 13,2 × 10 мм, установленный на матрицу из 4 × 4 Si-ФЭУ. Использование монолитного сцинтиллятора позволило оценить глубину взаимодействия каждого фотона. Наконец, группа исследователей под руководством Шульца разработала ПЭТ детекторный модуль на основе матрицы из 22 × 22 LYSO элементов с размерами 1,3 × 1,3 × 10 мм , соединенной с матрицей Si-ЭУ. Единственным недостатком этих модулей был относительно небольшой размер активной области, что не позволяло получить потенциальную производительность Si-ФЭУ, не охладив его до низких температур (ниже 22 °C).
Материалы и методы
Целью этого проекта было создать ПЭТ детекторный модуль на основе Si-ФЭУ, который использовался бы в качестве встраимового блока в небольшой широкоугольный ПЭТ-сканер для животных в составе клинического МРТ-сканера с величиной индукции магнитного поля в 3 Тл. Для улучшения стабильности и производительности Si-ФЭУ была разработана охлаждающая система модуля. Наконец, использование мультиплексной схемы для сокращения общего количества каналов сбора данных, содействовало созданию практичных и экономически эффективных ПЭТ сканеров.
Конструкция детектора
Новые детекторные модули используют матрицу из 26 × 58 LYSO элементов с размерами 1,5 × 1,5 × 10 мм (шаг = 1,57 мм), разделенных ESR отражателями (производство компании Proteus, Ноксвилл, США). Таким образом активная область детектора составляет 41,2 × 91,5 мм, что больше активной области других детекторных модулей на основе Si-ФЭУ. Матрица LYSO элементов соединяется с двумя фотоприемниками фирмы SensL ArraySL-4p9 (SensL Technologies, Корк, Ирландия). Эти фотоприемники состоят из матриц Si-ФЭУ ArraySL-4, расположенных в формате 3 × 3. Каждая матрица ArraySL-4 имеет 16 (4 × 4) пикселов с размерами 3,05 × 3,05 мм (4774 микроячейки). Их коэффициент усиления при комнатной температуре и нормальных условиях составляет 2,4 × 106. Таким образом, каждый фотоприемник ArraySL-4p9s имеет 3 × 3 × 4 × 4 = 144 независимых каналов данных; общий размер чувствительной области составляет 48 × 48 мм. Для оптического соединения двух матриц Si-ФЭУ с матрицей сцинтилляторов используется акрил толщиной 2 мм. Световод необходим для того, чтобы распространить свет от сцинтилляторов для перекрытия оптического зазора между двумя матрицами Si-ФЭУ. Таким образом, сцинтилляционный свет, излучаемый элементами, расположенными над стыком двух матриц Si-ФЭУ, передается в активную область матриц. Световод также распространяет сцинтилляционный свет среди пикселов массивов Si-ФЭУ, что облегчает вычисление положения события в массиве сцинтиллятора (см. рис.1 и рис.2). Необходимо отметить, что матрицы Si-ФЭУ больше по размерам матрицы сцинтилляторов. Такая геометрия была выбрана для того, чтобы элементы сцинтиллятора на краях массива были расположены напротив активной области матрицы Si-ФЭУ, что упрощает идентификацию всех элементов матрицы сцинтилляторов. Данная конструкция позволяет сократить интервалы чувствительности детектора в том случае, когда модули сформированы в виде кольца для того, чтобы образовать сканер.
Охлаждающая система детектора
Как и в случае большинства твердотельных устройств, производительность Si-ФЭУ зависит от температуры. Снижение их рабочей температуры сокращает температурные шумы (темновой ток) и увеличивает коэффициент усиления. Коэффициент усиления увеличивается из-за снижения напряжения пробоя при низких температурах, при условии постоянного напряжения смещения. Температура детектора может быть снижена, если его поместить в охлаждающий кожух. В частности, для защиты матрицы Si-ФЭУ ArraySL-4p9 и считывающей электроники использовалась прямоугольная медная пластина толщиной 4,75 мм. К внешней части корпуса припаян канал, состоящий из медной трубки с размерами 2,38 × 2,38 мм. К каждому концу канала припаяны разъемы с выводами. По каналу циркулирует раствор 50%-ной холодной дистиллированной воды и 50%-ного этиленгликоля, который в свою очередь охлаждает медную оболочку. Медь соединяется с гранями матриц Si-ФЭУ, тем самым охлаждая их. Жидкость охлаждается мини-охладителем производства Peter Huber Kältemaschinenbau GmbH (Оффенбург, Германия). Это устройство может охладить циркулирующую жидкость до температуры –10°C и имеет мощность охлаждения 300 Вт при температуре 14°C. Такой мощности достаточно для одновременного охлаждения до 250 модулей до температуры 14°C (каждый модуль поглощает примерно 1,2 Вт мощности). Для конвекционного охлаждения модуля в устройство подается воздух посредством трубки с внутренним диаметром 3,175 мм, снабженный охлаждающим кожухом. Трубка имеет семь небольших отверстий, которые позволяют воздуху дойти до считывающей электроники. Воздух перемещается по трубке с внутренним диаметром 4,76 мм, подсоединенной к медицинскому воздушному рециркулятору в исследовательской зоне. Воздух предварительно охлаждается пропусканием охлаждающей жидкости через теплообменник в контакте с трубкой. Все материалы, используемые для охладителя, имеют высокую теплопроводность и немагнитные характеристики. На рис. 2 показан ПЭТ-детектор с охладителем. Система охлаждения способна производить равномерное охлаждение поверхности матрицы Si-ФЭУ ArraySL-4p9 (вариативность температуры < ~0.6 °C). На рис. 3 показано инфракрасное изображение передней поверхности охлажденного модуля без сцинтиллятора. Обратите внимание, что видимые нагретые участки в рубашке охлаждения вызваны отражением окружающего света от меди и несоответствием излучательной способности меди и настройки коэффициента излучения в ИК-камере, которая была настроена на излучательную способность кремния.
Считывание Si-ФЭУ и система сбора данных
Каждая матрица Si-ФЭУ содержит 144 отдельных элемента, таким образом наш детекторный модуль на двух матрицах ArraySL-4p9s имеет 288 индивидуальных аналоговых выходов. Такое количество данных усложняет считывание сигналов с одного устройства, не говоря уже о большем количество модулей, которые будут составлять сканер. Таким образом, чтобы сделать устройство более подходящим для использования в больших системах, число выходных каналов для каждой матрицы Si-ФЭУ ArraySL-4p9 было снижено со 144 до 4, в результате получилось всего восемь аналоговых выходов на модуль. Эта задача была выполнена с помощью мультиплексной системы считывания, разработанной в сотрудничестве с компанией AiT Instruments (Нюпорт-Ньюс, США).
Мультиплексирование выходного сигнала осуществляется в два этапа. Во-первых, симметричная схема деления заряда разделяет 144 канала массива 12х12 матрицы Si-ФЭУ ArraySL-4p9 на 12 строк и 12 столбцов. Эти сигналы сводятся к четырем каналам путем применения взвешенного усиления для каждой строки и каждого столбца пропорционально его положению вдоль каждой оси. Такое кодирование амплитуды создает два сигнала (Х+, Х-), представляющих столбец местоположения события и два сигнала (Y+, Y-), представляющих строку местоположения события. Новая методика деления заряда, разработанная компанией AiT Instruments, использует активные диоды вместо резисторов для обработки сигналов Si-ФЭУ до усиления. В частности, диод помещается между фотодетектором и быстрым трансимпедансным усилителем. Когда сигнал на фотодетекторе имеет положительную полярность, то низкое прямое сопротивление диода позволяет току течь от фотодетектора до усилителя, в то же время высокое обратное сопротивление диода не дает току протекать от усилителя до фотодетектора. На рис. 4 показана схема считывающей электроники. Диоды сокращают нежелательные токи утечки Si-ФЭУ. Снижение токов утечки улучшает пространственную однородность и позиционирование события.
Нелинейное прямое сопротивление диодов ослабляет сигналы с небольшой амплитудой, схожей с пороговой амплитудой, что приводит к снижению шума. Диоды изолируют собственную емкость Si-ФЭУ в группе Si-ФЭУ, когда каждый фотодетектор соединяется с трансимпедансным усилителем, что снижает воздействие суммарной емкости и потери заряда в больших массивах Si-ФЭУ. Кроме того, время нарастания выходного сигнала с трансимпедансного усилителя меньше, чем у непосредственно связанных схем считывания.
Выводы схемы платы считывания соединены с интерфейсным модулем (модель SiPMIM4х4, AiT Instruments), который может считывать сигналы максимум с четырех матриц Si-ФЭУ ArraySL-4p9 (эквивалентно двум или четырем модулям). Модуль выводит индивидуальные аналоговые сигналы со считывающей электроники на разъем с 34 контактами, расположенный на передней панели устройства. В дополнение модуль суммирует выходные сигналы с каждой матрицы Si-ФЭУ ArraySL-4p9. Эти сигналы используются для запуска аналого-цифрового преобразования Х-Y выходов. Кроме того, интерфейсный модуль подает питание и напряжение смещения на считывающую электронику. Наконец, существует возможность отслеживания напряжения смещения, тока, а также температуры на каждом Si-ФЭУ (за счет датчиков температуры, расположенных на плате) с помощью вывода с 24 контактами на интерфейсном модуле.
Аналоговые сигналы напряжения от интерфейсного модуля проходят через 34-контактный кабель к многоканальному аналого-цифровому преобразователю (АЦП) на основе ПЛИС (АЦП производства AiT Instruments). Каждый канал использует аналоговую задержку для компенсации задержки триггера, за которым следует закрытый интегратор и АЦП для оцифровки интегрированного сигнала. Такие устройства могут обрабатывать сигналы максимально с 64 каналов (каждый блок АЦП может работать максимально с 8 детекторными модулями). Оцифровка аналоговых сигналов отсчитывается логическими импульсами. Логические сигналы создаются путем прохождения суммирующих выходных сигналов с интерфейсного модуля (один с каждой матрицы Si-ФЭУ ArraySL-4p9) через усилитель-дискриминатор (модель 751, Philips Scientific) с последующей комбинацией двух выходных сигналов амплитудных дискриминирующих импульсов с помощью логической операции ИЛИ в логическом блоке (модель 755, Philips Scientific). Оцифрованные выходные сигналы передаются на управляющий компьютер через интерфейс USB 2.0. На рис. 5. показана схема системы сбора данных, используемая для испытаний модуля.
Определение точки взаимодействия фотона в массиве сцинтилляторов выполняется путем вычисления в системе центра масс оцифрованных сигналов от считывающей электроники совместно с предварительно рассчитанной справочной таблицей (часто упоминается как карта кристалла). Эта карта сопоставляет положение события с номером пиксела сцинтиллятора. Кроме того, для того чтобы рассчитать энергию заряженных частиц, взаимодействующих со сцинтиллятором, с данными сопоставляется предварительно полученная таблица калибровки энергии. Эта таблица содержит информацию для каждого пиксельного элемента матрицы сцинтиллятора, который преобразует номер канала АЦП в энергию. Сбор данных осуществляется с помощью программной среды Kmax производства Sparrow Corp (Порт-Ориндж, США).
Испытания детекторного модуля
Тестирование проводилось с целью определения возможностей и ограничений детекторного модуля. Во-первых, зависимость темнового тока от температуры определялась путем измерения тока, потребляемого Si-ФЭУ (без приложенного сцинтиллятора) при пониженной температуре. Для оценки способности системы идентифицировать элементы сцинтиллятора при пониженной температуре модуль был облучен шестью источниками излучения 4,5 мкКюри 22Na (производство Eckert & Ziegler, США) в форме дисков, равномерно распределённых по всей поверхности модуля. Данные считывались в течение 300 с. Приложенное напряжение смещения составляло 30,4 В, что является рекомендуемым напряжением для данного Si-ФЭУ при комнатной температуре. Таким образом, появилась возможность оценить, какое влияние оказывает изменение температуры на производительность модуля при постоянном напряжении смещения. Стоит отметить, что коэффициент усиления Si-ФЭУ напрямую зависит от разницы между напряжением смещения и напряжением пробоя, также известным как перенапряжение. При охлаждении устройства, напряжение пробоя понижается. Поскольку напряжение смещения является постоянным, это приводит к увеличению перенапряжения и, следовательно, повышению коэффициента усиления при понижении температуры. Необходимо отметить, что коэффициент усиления Si-ФЭУ может быть увеличен за счет повышения напряжения смещения, но в этом случае увеличиваются и показатели темнового тока. Полученные данные были использованы для создания двумерного графика обнаруженных положений события. Карта пикселов создается из одного неповторяющегося события. Эти данные использовались для расчета степени контрастности между максимальным и минимальным значениями сигнала для каждого элемента детектора, который рассчитывается путем вычитания отсчетов, находящихся в области между расположением соседних элементов детектора (минимальное значение), из отсчетов, находящихся в области детекторного элемента (максимального значения), и делением на количество отсчетов в области детекторного элемента. Этот параметр является мерой точности вычисления центра масс и используется для обнаружения места попадания фотона на детектор. Для того чтобы избежать неотъемлемую вариативность в использовании профилей интенсивности для определения максимальных и минимальных значений, коэффициент контрастности рассчитывается с использованием программного обеспечения, специально созданного для поиска максимальных и минимальных значений на пиксельной карте. Значения коэффициента контрастности для каждого сцинтилляционного элемента были суммированы, чтобы получить среднее значение для модуля при данной температуре. Измерения проводились как без использования охлаждающего кожуха (температура устройства около 28°C), так и при включенной охлаждающей системе (температура варьировалась от 22 до 16°C с шагом в 2°C). Данный диапазон был признан достаточным для стандартной работы детектора.
Временное разрешение схемы совпадений
Временное разрешение схемы совпадений детекторного модуля измерялось путем помещения его в режим совпадения с быстрым детектором, включающим в себя LSO-сцинтиллятор с размером 1 см3, соединенный со стеклянным фотоэлектронным умножителем Hamamatsu R2496 PMT (Hamamatsu Photonics, Япония). Распространение времени прохождения электронов этого устройства составляет 600 пс – длительность импульса на уровне половины амплитуды. Между детекторным модулем и быстрым детектором (расстояние около 3 см) были помещены 3 дисковых источника 4,5 мкКюри 22Na. Входные сигналы от Si-ФЭУ и ФЭУ были подсоединены к усилителю- дискриминатору (модель 6951, Philips Scientific). Полученные импульсы были переданы на TDC-преобразователь "время-цифровой код" (ATMD-GPX, ACAM Electronics, Германия). Сигнал от быстрого детектора был стартовым сигналом, а сигнал с детекторного модуля был стоп-сигналом. Временное разрешение схемы совпадений было рассчитано путем сопоставления полученного распределения с функцией Гаусса. Усредненная длительность импульса на уровне половины амплитуды (с поправкой на распространение времени прохождения ФЭУ, используемого для получения сигнала запуска) является временным разрешением схемы совпадений модуля.
Результаты
График, показанный на рисунке 6а, демонстрирует уменьшение темнового тока при снижении температуры. Как можно видеть, проведя аппроксимирующую прямую на графике, зависимость темнового тока от температуры линейная в этом температурном диапазоне. На рис.6б показан график зависимости коэффициента усиления от температуры матрицы Si-ФЭУ ArraySL-4, рассчитанного из данных SensL.
Коэффициент усиления растет при понижении температуры, так как он непосредственно связан с перенапряжением, которое увеличивается при снижении температуры (при условии постоянного напряжения смещения). На рисунке 7а показана карта пикселов. Важно отметить, что все 26 × 58 LYSO детекторные элементы матрицы сцинтиллятора различимы, даже на гранях и в месте стыка двух матриц. Этот вывод имеет важное значение, так как идентификация элементов в этих районах может быть сложной задачей. На рису.7б показан профиль интенсивности одного ряда пиксельной карты, представленной на рис.7а. Коэффициент контрастности и энергетическое разрешение были измерены с пиксельных карт, схожих с показанной на рис.7. На рис.8а – график зависимости коэффициента контрастности от температуры. На рис. 8б – зависимость энергетического разрешения от температуры. Наконец, рис.9а демонстрирует рассчитанные кривые временного разрешения схемы совпадений, а рядом рис. 9б – результаты измерений временного разрешения схемы совпадений. Кривая соответствует функции TRes = M1 + M2e(M3T), где M1 – это независимый от температуры компонент временного разрешения схемы совпадений модуля (TRes), M2 – амплитуда экспоненциального компонента временного разрешения, М3 – температурный коэффициент временного отклика и Т – это температура на Si-ФЭУ. Лучшее временное разрешение, полученное на этом детекторе, составляет примерно 2112 пс (значение независимого от температуры компонента кривой), что лишь немногим меньше нашего измеренного значения 2115 пс при 16°C. Довольно проблематично привести результаты измерений других групп исследователей ввиду большого количества вариантов устройств и методов измерений. Результаты групп исследователей, занимавшихся измерением временного разрешения Si-ФЭУ детекторов в паре с LYSO сцинтиллятором, варьируются в пределах от 120 до 1500 пс. Необходимо заметить, что ни одно из этих исследований не проводилось на основе матрицы Si-ФЭУ SensL ArraySL-4p9.
Обсуждение
После изобретения Si-ФЭУ стало возможным производство ПЭТ-детекторов, не подверженных воздействию сильных магнитных полей. Тем не менее, коммерчески доступные матрицы Si-ФЭУ не обладают достаточными размерами для создания ПЭТ-сканеров с широким углом обзора. Таким образом, для того чтобы получить крупные блоки, необходимо использовать большое количество соединенных между собой матриц Si-ФЭУ. В данном исследовании был разработан и протестирован детекторный модуль на основе Si-ФЭУ, который будет использоваться в качестве встраиваемого блока для планируемого небольшого ПЭТ сканера животных.
На рис.1 показан детектор и электронные компоненты устройства. Завершенный ПЭТ детекторный модуль с охлаждающей системой можно видеть на рис.2. Эта система способна производить практически равномерное охлаждение матриц Si-ФЭУ, как видно из инфракрасного изображения устройства на рис.3, что очень важно для поддержания постоянной производительности активной области детектора. Все компоненты детектора, включая электронику, показанную на рис.4 и 5, и охлаждающую систему, можно промасштабировать для создания больших детекторных модулей. Данные, показанные на рис.6, демонстрируют, что понижение температуры способствует увеличению коэффициента усиления и уменьшению темнового тока. Темновой ток имеет линейную зависимость от температуры на всем тестируемом диапазоне (можно видеть на графике, рис.6а) с отклонением 2 мкА/°C. Охлаждение Si-ФЭУ отводит энергию с устройства, понижая вероятность возникновения спонтанных электронно-дырочных пар, следовательно, темновой ток уменьшается. Увеличение коэффициента усиления с понижением температуры (рис.6б) происходит из-за уменьшения напряжения пробоя, которое связано с уменьшением вероятности фонон-электронного взаимодействия при низких температурах. Пока напряжение смещения остается постоянным, перенапряжение и, следовательно, коэффициент усиления устройства растут. Следует отметить, что снижение темнового тока немного смещается при увеличении коэффициента усиления (темновой ток усиливается по тому же принципу, что и сигнал). Для компенсирования понижения коэффициента усиления за счет увеличения температуры (из-за рассеиваемой мощности Si-ФЭУ и считывающей электроники) вместо охлаждения возможно использовать метод увеличения напряжения смещения. Этот метод, однако, не затрагивает увеличение темнового тока из-за высоких температур. Большие матрицы Si-ФЭУ (288 в случае нашего модуля) с мультиплексной электроникой считывания особенно восприимчивы к эффектам увеличения темнового тока, так как сигнал с каждого Si-ФЭУ делает свой вклад в шумы детектора. Таким образом, охлаждение считается лучшим способом улучшить и стабилизировать работу рассматриваемого детектора.
Карта пикселей изображенная на рис.7 показывает, что все элементы детектора различимы, даже те, которые находятся на краях матрицы сцинтилляторов. Невозможность идентификации всех элементов сцинтиллятора часто связана с сокращением эффективности обнаружения на краях фотоприемника. В рассматриваемом детекторе две матрицы Si-ФЭУ ArraySL-4p9 приблизительно на 2,5 мм шире и длиннее матрицы сцинтиллятора. Таким образом, возможность эффективного считывания крайних элементов сцинтиллятора обусловливается нахождением сцинтилляционной матрицы в пределах активной области Si-ФЭУ. Такое отсутствие слепых зон детектора сокращает возможное ухудшение чувствительности на стыке двух соседних модулей при реализации их в виде конструкции кольцевого сканера, уменьшая помехи, вызываемые неполной угловой выборкой. Другая важная находка карты пикселов в том, что были обнаружены элементы сцинтиллятора, находящиеся в месте стыка двух матриц Si-ФЭУ ArraySL-4p9. Из этого следует, что у данного детектора нет слепых зон. Это стало возможным благодаря использованию двухмиллиметрового акрилового световода, который распространяет свет от сцинтиллятора в тех местах, где нет Si-ФЭУ, в сторону активной области устройства. Увеличение коэффициента усиления и сокращение темнового тока за счет охлаждения также вносит свой вклад в обнаружение фотонов, появляющихся в месте стыка двух матриц Si-ФЭУ. Успех такой конструкции означает то, что теоретически возможно реализовать конструкцию с большим количеством матриц Si-ФЭУ для создания крупных детекторных модулей.
Возможно, лучший способ выяснить, насколько увеличенный сигнал и пониженный уровень шума влияет на производительность детектора, это оценить точность, с которой события локализуются в массиве сцинтиллятора. Чтобы охарактеризовать эту величину, мы вычислили средний коэффициент контрастности максимального и минимального значения сцинтилляционной вспышки для модуля. Результаты, показанные на рис.8а, демонстрируют, что значение этого коэффициента вырастает примерно на 45% при понижении температуры с 28 до 16°C. Как было описано, выше охлаждение детектора увеличивает коэффициент усиления и сокращает значение темнового тока, тем самым амплитуда сигнала повышается, а уровень шума снижается. Так как эти сигналы используются для вычисления местоположения события в массиве сцинтиллятора с алгоритмом вычисления центра масс, более высокие амплитудные сигналы при низких шумах делают эти расчеты точнее. Хотя увеличение коэффициента контрастности максимального и минимального значений сцинтилляционной вспышки должно привести к улучшению пространственного разрешения, но все же это не является прямым показателем данного параметра. В конечном счете, улучшение пространственного разрешения в результате охлаждения Si-ФЭУ может быть оценено только после того, как будет получен опытный образец сканера.
Увеличенная амплитуда сигнала и пониженный уровень шума, полученные за счет охлаждения модуля, также улучшают показатель энергетического разрешения, так как коэффициент усиления тоже возрастает. Результаты на рис.8б подтверждают, что показатель энергетического разрешения изменился с 18,8% при температуре 28°C до 17,7% при температуре 16°C для излучения 511 кЭв. Это небольшие изменения в исследуемом интервале температур, вероятно, возникают из-за того, что на энергетическое разрешение модуля влияют различия светового выхода из 1508 отдельных сцинтилляционных элементов и небольшие различия в коэффициенте усиления среди 288 отдельных Si-ФЭУ. Ни один из этих эффектов не имеет сильной зависимости от температуры. Результаты, показанные на рис.9, демонстрируют то, что охлаждение Si-ФЭУ улучшает временное разрешение схемы совпадения рассматриваемого детекторного модуля. Временное разрешение схемы совпадения невелико по сравнению с показаниями других исследователей Si-ФЭУ. Например, группа исследователей под руководством Сейферта докладывает о самом лучшем показателе временного разрешения в 171 пс. В отличие от рассматриваемого в данной статье исследования, они использовали монолитный LYSO-сцинтиллятор размером 3 × 3 мм, соединенный с единичным Si-ФЭУ Hamamatsu (в отличие от матрицы Si-ФЭУ и матричного сцинтиллятора). Действительно, почти все показатели временного разрешения схемы совпадений, о которых рассказывается в научных изданиях, рассчитаны для единичного или небольшого числа соединений Si-ФЭУ со сцинтилляционной матрицей, в отличие от наших результатов для массива из 26 × 58 элементов LYSO-сцинтиллятора с размерами 1,5 × 1,5 мм каждый (в общей сложности размер сцинтиллятора 41 × 91 мм), соединенного с 288-ю Si-ФЭУ. Этот эффект исследовала группа ученых под руководством Шимицу. Они сравнивали временное разрешение схемы совпадения единичного Si-ФЭУ и матрицы Si-ФЭУ. В частности, временное разрешение схемы совпадения комбинации для единичного Si-ФЭУ (MPPC) и сцинтиллятора (кристалл сцинтиллятора с размерами 5 × 5 × 20 мм) составляло 354 пс, а для матрицы с 8 × 8 элементами Si-ФЭУ этот показатель возрастал до 1208 пс. Такое увеличение временного разрешения схемы совпадения для больших матриц обусловлено, по крайней мере, частично, выбором схемы считывания и отсутствием широкой временной калибровки модуля.
Наши результаты показывают, что временное разрешение схемы совпадений имеет как температурно-независимый компонент, так и компонент экспоненциально зависимый от температуры. Наиболее предпочтительное объяснение температурной зависимости связано с фактом того, что при понижении температуры коэффициент усиления матрицы Si-ФЭУ увеличивается, что увеличивает эффективность регистрации фотонов (PDE – photon detection efficiency). Эффективность регистрации фотонов оказывает большое влияние на временное разрешение схемы совпадений. Другой эффект, возникающий при понижении температуры, – это снижение темнового тока, которое также влияет на временное разрешение. Температурно-независимый компонент оказывает основное влияние на временное разрешение матрицы Si-ФЭУ ArraySL-4p9. Поскольку временное разрешение схемы совпадений зависит от длины сцинтилляционного элемента, качества обработки его поверхности и присутствия световода толщиной 2 мм, большая часть независимого от температуры компонента обусловлена взаимодействием внутренней емкости Si-ФЭУ со схемой мультиплексного считывания. В частности, это взаимодействие влияет на время нарастания выходных импульсов, что ухудшает временное разрешение. Таким образом, о чем мы уже говорили, показатели временного разрешения схемы совпадений нашего детекторного модуля могут быть немного улучшены за счет снижения температуры. Значительное улучшение временного разрешения схемы совпадений потребует изменения конструкции матрицы Si-ФЭУ ArraySL-4p9, считывающей электроники (возможно, с использованием специализированных СБИС) и временной калибровки модуля.
В итоге был создан ПЭТ-детектор с большим углом обзора на основе матрицы кремниевых фотоумножителей SensL ArraySL-4p9. Модуль имеет как охлаждающую систему, так и специальную электронику для считывания и обработки поступаюших с детектора сигналов. Производительность по оценке измерения некоторых соответствующих показателей была многообещающей. Следующий шаг – это объединение 12-ти модулей в форме кольца для небольшого ПЭТ-сканнера для животных в составе МРТ-сканера с величиной индукции магнитного поля в 3 Тл.
Авторы благодарят Карла Джексона и Уэйда Апплмана из компании SensL Technologies Ltd. за их помощь в работе с кремниевыми умножителями. Эта работа получила поддержку фонда NIBIB (R01 EB007349).
Литература
Ahmed M., Camanzi B., Matheson J. – Nucl. Instrum. Methods A 695 (2012) 252.
Chagani H., Dolenec R., Korpar S. et al. – IEEE Nucl. Sci. Symp. Med. Imaging Conf. Rec. 1 (2009) 1518.
Christensen N.L., Hammer B.E., Heil B.G. et al. – Phys. Med. Biol. 40 (1995)691.
Gazioso R., Hang N., Corbeil J. – Nucl. Instrum. Methods A 569 (2006) 301.
Lee C., Kim Y.S., Sul W.S. – Nucl. Instrum. Methods A 633 (Suppl 1) (2011) S163.
Llosa G., Belcari N., Bisogni M. et al. – A. Del Guerra, IEEE Trans. Nucl. Sci. 56 (2009) 543.
Llosa G., Barrio J., Cabello J. et al. – IEEE Nucl. Sci. Symp. Med. Imaging Conf. Rec. 1 (2011) 3631.
Pichler B.J., Judendofer M.S., Catana C. et al. – Nucl. Med. 47 (2006) 639.
Piemonte C., Gola A., Mazzuca E. et la. – IEEE Nucl. Sci. Symp. Med. Imaging Conf. Rec. 1 (2010) 1804.
Raylman R.R., Hammer B.E., Christensen N.L. – IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-43 (1996) 2406.
Roncali E., Cherry S.R. – Ann. Biomed. Eng. 39 (2011) 1358.
Schaart D.R., van Dam H.T., Seifert S. et al. – Phys. Med. Biol. 54 (2009) 3501.
Schulz V., Weissler B., Gebhardt P. et al. – IEEE Nucl. Sci. Symp. Med. Imaging Conf. Rec. 1 (2011) 4467.
Seifert S., Vinke R., van Dam H.T. – IEEE Nucl. Sci. Symp. Med. Imaging Conf. Rec. 1 (2009) 2329.
SensL Technologies, LTD., Cork Ireland 2011, ArraySL-4 Scalable Silicon Photomultiplier Array Data Sheet.
Shimizu K., Uchida H., Sakai K. – IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-60 (2013) 1512.
Solf T., Schulz V., Weissler B., – IEEE Nucl. Sci. Symp. Med. Imaging Conf. Rec. 1 (2009) 2798.
Van Dam H.T., Borghi G., Seifert S. et al. – Phys. Med. Biol. 54 (2013) 3243.
Wang Y., Zhang Z., B.Wang. – Nucl. Instrum. Methods A 670 (2012) 49.
Yamamoto S., Imaizumi M., Watabe T. et al. – Hatazawa, Phys. Med. Biol. 55 (2010) 5817.
Yoon H.S., Ko G.B., Kwon S.I. et al. – Nucl. Med. 53 (2012) 608.
Zorzi N., Melchiorri M., Piazza A. – Nucl. Instrum. Methods A 636 (2011) S208.
Отзывы читателей
