Development of high resolution compact detector using silicon photomultiplier

Recent advance of photo-detector technology with silicon photomultiplier (SiPM) array provides a great opportunity to develop new generation of radiation imaging detectors. SiPMs could allow the simultaneous use of PET/SPECT with MRI which before was not possible to do, due to the incompatibility of photomultiplier tubes (PMT) with magnetic fields. This study aims to develop high-resolution compact imaging detector using the SensL’s SiPM arrays. Two types of SiPM (N-on-P and P-on-N called respectively Array-SL and Array-SB) have been evaluated using different scintillators of GAGG:Ce, CsI(Tl) and LYSO. The energy response of the detector has been measured using gamma-ray sources of Cs-137, Na-22 and Co-57. Then a compact imaging detector module based on 4x4 SiPM array has been developed and evaluated with fine pixelated scintillation arrays of GAGG:Ce, LYSO and CsI(Tl). A highly compact multiplexed readout using a chain resistive network has been developed for this detector module, with which is possible to reduce number of channels from 16 to 4. Its performance has been evaluated using different parameters of resistive chain networks. The experimental results show that the combination of SiPM coupling with GAGG:Ce scintillation crystal resulted in much better energy resolutions of ~6.5% at 662 keV, ~8.4% at 511 keV and ~ 16.6% at 122 keV as compared to the common scintillators of CsI(Tl) and LYSO. Moreover, the developed compact imaging detector module based on 4x4 SiPM array can resolve proficiently the 1mm crystal elements of the GAGG:Ce with good uniformity. The GAGG based detector module with 4x4 Array-SL shows better flood image quality than that from the Array-SB. In conclusion, combination of GAGG:Ce scintillator and SiPM array is an effective approach in development of high-resolution and high-performance compact gamma imaging detector. For this reason, a prototype of a compact gamma camera for intraoperative radio-surgery has been designed. Further developments with this technology for a larger detector field-of-view and specific applications are under investigations.

Recenti studi legati alla tecnologia dei fotorivelatori a base di silicio (SiPM) hanno fornito una grande opportunità di sviluppare una nuova generazione di rilevatori per la creazione di immagini mediche. I SiPM permetterebbero infatti l'uso simultaneo della PET/SPECT e della MRI, due tecniche che attualmente non possono essere utilizzate insieme a causa dell’incompatibilità dei tubi fotomoltiplicatori (PMT) con i campi magnetici. Questo lavoro di tesi è incentrato sullo sviluppo di un rivelatore compatto ad alta risoluzione per l’acquisizione di immagini, utlizzando vari tipi di array di SiPM prodotti dalla SensL. Nello specifico, sono stati valutati due tipi di SiPM, chiamati rispettivamente Array-SL e Array-SB, utilizzando differenti scintillatori di GAGG:Ce, CsI(Tl) e LYSO. La risposta in energia di questo rilevatore è stata valutata utilizzando sorgenti gamma di Cs-137, Na-22 e Co-57. E' stato poi sviluppato un rivelatore basato su un array 4x4 di SiPM i cui risultati sono stati valutati con array pixellati di GAGG:Ce, LYSO e Cs(Tl). Per questo rilevatore è stato sviluppato un readout altamente compatto utilizzando una catena resistiva con la quale è stato possibile ridurre il numero di canali di uscita da 16 a 4. Le prestazioni di questo readout sono state valutate utilizzando differenti parametri all’interno della catena resistiva. I risultati sperimentali hanno mostrato che la combinazione tra SiPM e lo scintillatore GAGG:Ce ha portato ad una migliore risoluzione energetica di ~6,5% a 662 keV, ~8,4% a 511 keV e ~16,6% a 122 keV, se paragonata ai comuni scintillatori di CsI(Tl) e LYSO. E' stato inoltre dimostrato che il rilevatore basato sull’array 4x4 di SiPM ha permesso di risolvere efficientemente e con buona uniformità i vari elementi da 1mm del cristallo di GAGG:Ce, mostrando inoltre una migliore qualità delle immagini rispetto a quello basato sull'Array-SB. In conclusione, la combinazione tra lo scintillatore di GAGG:Ce e l’array di SiPM si è dimostrata essere un valido approccio da seguire per lo sviluppo di un rilevatore compatto per l’acquisizione di immagini ad alta risoluzione e dalle prestazioni elevate. Per questo motivo, è stato progettato un prototipo di una gamma camera per l’utilizzo in radiochirurgia intraoperatoria. Ulteriori studi e sviluppi legati a questa tecnologia, riguardo all’utilizzo di un rilevatore con un maggiore campo visivo e per nuove specifiche applicazioni, sono attualmente in corso di studio.