Ultra-dense ceramic scintillator for BrainPET scanner

用于 BrainPET 扫描仪的超致密陶瓷闪烁体

基本信息

  • 批准号:
    10761208
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 27.52万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-08-04 至 2024-08-03
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Summary Positron emission tomography (PET) is a powerful tool for imaging a wide range of biological processes in vivo and for detecting and monitoring human disease, as well as an important technique in neuroscience research. For human brain studies, PET offers a sensitive and noninvasive window into brain metabolism and neurochemistry, providing information from living human subjects that cannot be obtained using any other technique. The key characteristics of brain PET are spatial resolution and sensitivity. Brain PETs with a spatial resolution approaching 1 mm at the center of the field-of-view (FOV) are under development using LYSO or LSO scintillators, which are the currently available scintillators that can provide the best overall performance. However, to obtain a high sensitivity, which strongly affects the quantitative precision of PET imaging, L(Y)SO with a thickness of around 20 mm is widely used. The first and the major drawback of using the thick L(Y)SO crystal is the parallel error, which decreases the spatial resolution off the center of the FOV. Depth-of-Interaction (DOI) information can be used to improve spatial resolution off the center of the FOV, however, the best DOI resolution from 20 mm thick L(Y)SO is ~2.0 mm obtained using the dual-ended readout, which is not good enough. The second drawback of the L(Y)SO is the high cost. For most scanners, the L(Y)SO cost is half of the total scanner cost. The performance of brain PET scanners can be improved using a new scintillator based on Lu2O3 (LO), which has a higher density (9.4 vs. 7.4 g/cm3 for LSO) and higher effective Z (68 vs. 65 for LSO). When doped with La3+ and Yb3+, it exhibits an ultra-fast rise time (<0.6ns) combined with prompt charge transfer luminescence with decay time of 1.7 ns, giving timing resolution (TR) of 180 ps FWHM. The energy resolution at 511 keV is better than 10% (>10% for LYSO), due to the good light yield from slower components (<20,000 ph/MeV) and good proportionality (better than for LYSO). Hence, LO:La,Yb can be an excellent choice for a brain PET scanner requiring high sensitivity and high spatial resolution. The LO is produced using ceramic methods which may also have an edge over the crystal growth methods in terms of cost of manufacturing. Therefore, for this project, we propose to 1) optimize the LO:La,Yb and its manufacturing for high-resolution and high-sensitivity brain PET applications, 2) optimize LO:La,Yb based PET detector for brain PET through experimental evaluation, and 3) to estimate the performance of a full brain PET system based on these results through GATE Monte Carlo simulations and benchmark it against LYSO system.
概括 正电子发射断层扫描 (PET) 是一种强大的工具,可对多种生物进行成像 体内过程以及检测和监测人类疾病,以及重要的 神经科学研究技术。对于人脑研究,PET 提供了灵敏且 大脑代谢和神经化学的无创窗口,提供来自生活的信息 无法使用任何其他技术获得的人类受试者。主要特点 大脑PET是空间分辨率和灵敏度。大脑 PET 的空间分辨率接近 视场 (FOV) 中心 1 mm 正在使用 LYSO 或 LSO 进行开发 闪烁体,这是目前可用的闪烁体,可以提供最好的整体 表现。然而,要获得高灵敏度,这强烈影响定量 为了提高PET成像的精度,广泛使用厚度为20mm左右的L(Y)SO。 使用厚 L(Y)SO 晶体的第一个也是主要缺点是平行误差, 降低 FOV 中心的空间分辨率。交互深度 (DOI) 信息 可用于提高离开 FOV 中心的空间分辨率,但是,最好的 DOI 使用双端读数获得 20 mm 厚 L(Y)SO 的分辨率约为 2.0 mm,即 不够好。 L(Y)SO 的第二个缺点是成本高。对于大多数扫描仪来说, L(Y)SO 成本是扫描仪总成本的一半。 脑 PET 扫描仪的性能可以使用基于 Lu2O3 (LO),具有更高的密度(LSO 为 9.4 g/cm3 vs. 7.4 g/cm3)和更高的有效 Z(68 vs. 7.4 g/cm3)。 LSO 为 65)。当掺杂 La3+ 和 Yb3+ 时,它表现出超快的上升时间 (<0.6ns) 快速电荷转移发光,衰减时间为 1.7 ns,提供时间分辨率 (TR) 180 ps FWHM。 511 keV 的能量分辨率优于 10%(对于 LYSO,>10%),因为 较慢的组件(<20,000 ph/MeV)具有良好的光输出和良好的比例性(优于 LYSO)。因此,LO:La,Yb 可能是要求高的脑部 PET 扫描仪的绝佳选择。 灵敏度和高空间分辨率。 LO 采用陶瓷方法生产,可 在制造成本方面也比晶体生长方法具有优势。 因此,对于这个项目,我们建议 1) 优化 LO:La,Yb 及其制造 高分辨率和高灵敏度脑 PET 应用,2) 优化 LO:La,Yb 基 PET 通过实验评估大脑 PET 检测器,以及 3) 评估大脑 PET 检测器的性能 全脑 PET 系统基于 GATE Monte Carlo 模拟的这些结果, 将其与 LYSO 系统进行基准测试。

项目成果

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