Characterization of a DECTRIS EIGER2 X CdTe 1M-W detector for medical imaging

In recent years, position- and energy- sensitive semiconductor detectors have proven very promising in various synchrotron applications, including high-energy physics, astronomy and medical imaging. Their success stems from the fact that they offer unique detector performances in terms of noise, dynamic range and readout speed. In 2019, the world leading developer and manufacturer of Hybrid Photon Counting (HPC) X-ray detectors, DECTRIS, has launched the EIGER2 X series for 4th generation synchrotron facilities. Their main applications include X-ray diffraction, X-ray scattering and spectroscopy. The ID17 beamline of the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), dedicated to biomedical research, purchased the EIGER2 X CdTe 1M-W for a different application: biomedical imaging, including Computed Tomography (CT) experiments and the K-Edge Subtraction (KES) technique. The goal of this thesis work is therefore to perform a detailed characterization of this cutting-edge technology for this new application. In particular, the characterization will focus on the determination of the performances of the detector in terms of linearity, Modulation Transfer Function (MTF), Normalized Noise Power Spectrum (NNPS) and Detective Quantum Efficiency (DQE). The standard protocols to determine these quantities were adapted to the peculiarities of synchrotron radiation and of Cadmium-Telluride (CdTe) sensors. The stability of the detector at its startup and during a typical CT experiment was investigated. In this work an innovative fit model for the Edge Spread Function (ESF), developed by the Detector Group of the ESRF, was tested. It extends the typical sigmoid fitting models found in literature by considering the physical dimension of the pixel and the effect of fluorescence photons on the spatial distribution of the charge released by the photon-sensor interaction. This model has led to very promising results. The results obtained provided an insight into the limitations of the detector in view of medical imaging applications. It was observed that it is advisable to operate at relatively low fluxes, on the order of 1M counts/pixel/s. At higher fluxes a degradation in NPS and DQE is observed. The global stability of the detector during prolonged irradiation is compatible with CT experiments while the local variability may however affect image quality and quantitative measurements, such as KES results.

Negli ultimi anni, i rivelatori a semiconduttore sensibili alla posizione e all'energia si sono dimostrati molto promettenti in varie applicazioni di sincrotrone, tra cui la fisica delle alte energie, l'astronomia e l'imaging medico. Il loro successo deriva dal fatto che offrono prestazioni uniche in termini di rumore, range dinamico e velocità di lettura. Nel 2019, DECTRIS, lo sviluppatore e produttore leader mondiale di rivelatori di raggi X Hybrid Photon Counting (HPC) ha lanciato la serie EIGER2 X per i sincrotroni di quarta generazione. Le sue principali applicazioni includono la diffrazione e lo scattering dei raggi X e la spettroscopia. La beamline ID17 dell'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), dedicata alla ricerca biomedica, ha acquistato l'EIGER2 X CdTe 1M-W per un'applicazione diversa: l'imaging biomedico, includendo esperimenti di tomografia computerizzata (CT) e la tecnica di sottrazione del K-Edge (KES). L'obiettivo di questo lavoro di tesi è quindi quello di eseguire una caratterizzazione dettagliata di questa tecnologia all'avanguardia per questa nuova applicazione. In particolare, la caratterizzazione si concentrerà sulla determinazione delle prestazioni del rivelatore in termini di linearità, Modulation Transfer Function (MTF), Normalized Noise Power Spectrum (NNPS) e Detective Quantum Efficiency (DQE). I protocolli standard per determinare queste quantità sono stati adattati alle peculiarità della radiazione di sincrotrone e dei sensori al Tellurio di Cadmio (CdTe). Si è inoltre studiata la stabilità del rivelatore al suo avvio e durante un tipico esperimento CT. In questo lavoro è stato testato un nuovo modello di fit all'avanguardia per la Edge Spread Function (ESF), sviluppato dal Detector Group dell'ESRF. Esso si estende oltre i tipici modelli di fit sigmoidali trovati in letteratura considerando la dimensione fisica del pixel e l'effetto dei fotoni di fluorescenza sulla distribuzione spaziale della carica rilasciata dall'interazione fotone-sensore. Questo modello ha portato a risultati molto promettenti. I risultati ottenuti hanno fornito una visione dei limiti del rivelatore in vista delle applicazioni di imaging medico. È stato osservato che è consigliabile operare a flussi relativamente bassi, dell'ordine di 1M conteggi/pixel/s. A flussi più elevati si osserva una degradazione di NPS e DQE. La stabilità globale del rivelatore durante l'irradiazione prolungata è compatibile con gli esperimenti di CT, mentre la variabilità locale può comunque influenzare la qualità dell'immagine e le misure quantitative, come i risultati di KES.