An Event-Reconstructing Silicon Detector for 1 µm Resolution Spectral Computed Tomography

QC 220329

Abstract

Datortomografi (CT) är en bildgivande medicinsk teknik som används för att skapa tvärsnittsbilder av människokroppen med hjälp av röntgenstrålning. Kommersiella CT-scannrar använder energiintegrerande detektorer för att mäta röntgenstrålarnas attenuering. Fotonräknande detektorer med spektral upplösningsförmåga har dock börjat introduceras. I en sådan detektor kan fotonerna räknas individuellt och fotonenergin registreras med hjälp av energitrösklar. Jämfört med energiintegrerande detektorer, där energin från de infallande fotonerna integreras under ett visst mätintervall, möjliggör detta en förbättrad detektorprestanda såsom ökat signal-brusförhållande, högre spatiell upplösning samt förbättrad spektral avbildning.

Ett av de fotonräknande system som just nu utvärderas kliniskt är deep silicon-detektorn som utvecklats av gruppen inom Medicinsk Bildfysik vid KTH. Denna avhandling utgår ifrån konceptet för deep silicon-detektorer och studerar metoder för att förbättra prestandan hos en fotonräknande kiseldetektor för CT samt hur dessa skulle kunna möjliggöra rekonstruktion av fotoninteraktioner. I avhandlingens första del presenteras tre olika metoder för att förbättra detektorns prestanda. En av metoderna beskriver hur information om laddningsmolnets fördelning i detektorn kan användas för att förbättra den spatiella upplösningen. Med den föreslagna metoden kan subpixelupplösning uppnås, motsvarande en spatiell upplösning på ungefär 1 μm i den dimension där upplösningen är som högst. För att kunna uppskatta tiden för varje fotoninteraktion med hög noggrannhet föreslås en kiseldetektor med dubbelsidiga avläsningselektroder. Denna konfiguration resulterar i en tidsupplösning på åtminstone 1 ns som potentiellt kan användas för att identifiera interaktioner som härrör från samma infallande foton. Med dubbelsidig avläsning är det också möjligt att förbättra den spatiella upplösningen i riktningen tvärsöver kiselskivans tjocklek. För att påverka den elektroniska brusnivån föreslås användandet av en justerbar pulsbredd i detektorns avläsningselektronik. Detta kan förbättra detektorns doseffektivitet samt energiförbrukning.

I avhandlingens andra del presenteras en metod för att utföra rekonstruktion av fotoninteraktioner. Metoden består av ett ramverk av sannolikhetsfunktioner som används för att estimera den infallande fotonenergin och den primära interaktionspositionen. Baserat på detta ramverk utvärderas förmågan att uppskatta fotonenergin för ett fall där de infallande fotonerna antas vara väl åtskilda i tiden.

Sammanfattningsvis finns det potential i att förbättra prestandan med avseende på spatiell, tids- och energiupplösning i fotonräknande kiseldetektorer för CT och resultaten tyder på att händelserekonstruktion kan vara möjlig i framtiden.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-310335