Characterization and correction of sensitivity in a high-resolution in-beam PET scanner for preclinical ion beam range monitoring

This thesis was carried out within two ERC projects, SIRMIO and BARB, both dedicated to advancing PET for preclinical range verification in particle therapy. Developed in the Medical Physics group at LMU München, the work focuses on the experimental optimization of the high-resolution SIRMIO PET scanner, designed with depth-of-interaction (DOI) capability and spherical geometry to ensure high sensitivity and spatial precision. The study addresses two central aspects of quantitative PET measurements: the correction of geometrical sensitivity and the characterization of inter-crystal scattering (ICS) events that impact image quality. A comprehensive 3D sensitivity map was built by scanning a 22Na point source across 6600 positions, providing a detailed voxel-wise description of detection efficiency. The data were interpolated through a Shepard–Wendland kernel to obtain a continuous (60x60x60) mm3 map, the first experimental normalization dataset for this system. Validation confirmed that the correction effectively restored intensity and uniformity, even at the field edges. MC simulations comparing 22Na and direct positron emissions provided a scaling factor for adapting the map to proton and 11C beam conditions. The corrected map was successfully applied to PET data from proton irradiations on PMMA phantoms and to in vivo 11C experiments, improving image consistency and quantitative reliability. The second part investigates ICS, caused by photon scattering between adjacent crystals. A statistical method based on channel wise signal variations was developed to identify and quantify ICS across DOI layers, while a complementary strategy explored the inclusion of events from virtual regions, normally excluded, to recover coincidences and enhance sensitivity. Together, these methods improve both resolution and efficiency. Overall, this work integrates experimental data, MC modeling, and statistical analysis to strengthen quantitative PET for preclinical and in-beam applications. The validated sensitivity correction and the dual ICS framework establish a solid basis for future developments in high-resolution PET and its use in particle therapy research.

Questa tesi è stata condotta nell’ambito di due progetti ERC, SIRMIO e BARB, entrambi dedicati al miglioramento della PET preclinica per la range verification in terapia con particelle. Svolto presso il gruppo di Fisica Medica della LMU di Monaco, il lavoro si concentra sull’ottimizzazione sperimentale dello scanner PET SIRMIO ad alta risoluzione, dotato di depth of interaction (DOI) e geometria sferica per garantire alta sensibilità e precisione spaziale. Lo studio affronta due aspetti chiave della PET: la correzione della sensibilità geometrica e la caratterizzazione degli eventi di inter-crystal scattering (ICS) che degradano la qualità dell’immagine. È stata costruita una mappa di sensibilità 3D mediante la scansione di una sorgente di 22Na in 6600 posizioni, ottenendo una descrizione voxel-wise dell’efficienza di rivelazione. I dati sono stati interpolati per generare una mappa continua di (60x60x60) mm3, primo dataset sperimentale per questo sistema. La validazione ha confermato che la correzione migliora intensità e uniformità anche ai margini del campo di vista. Simulazioni MC, confrontando 22Na e positroni, hanno fornito un fattore di scala per adattare la mappa a fasci di protoni e ioni 11C. La mappa di correzione è stata applicata con successo a dati PET di irradiazioni con protoni di fantocci in PMMA e ad esperimenti in vivo con 11C, migliorando coerenza e affidabilità quantitativa delle immagini. La seconda parte analizza l’ICS, dovuto alla diffusione dei fotoni tra cristalli adiacenti. È stato sviluppato un metodo statistico basato sulle variazioni dei segnali per canale per identificarli nei diversi layer DOI, mentre una strategia complementare ha analizzato l’inclusione di eventi da regioni virtuali, normalmente escluse, per recuperare coincidenze e aumentare la sensibilità. Insieme, questi approcci migliorano risoluzione ed efficienza. Nel complesso, il lavoro integra dati sperimentali, modellazione MC e analisi statistica per migliorare la PET in ambito preclinico e in-beam. La correzione di sensibilità validata e il doppio approccio ICS pongono solide basi per futuri sviluppi della PET e del suo impiego nella ricerca in terapia con particelle.