Étude des limites de résolution temporelle de détecteurs pour la tomographie d'émission par positrons avec temps de vol

Abstract

La prochaine percée majeure en tomographie d'émission par positrons (TEP), une modalité d'imagerie médicale, repose sur la mesure de temps de vol (TdV) ultra-rapide, qui permet d'améliorer substantiellement la sensibilité et le contraste dans les images. Ce progrès implique une amélioration considérable de la résolution temporelle en coïncidence (RTC) des détecteurs du scanner TEP par rapport à la technologie actuelle. Ce projet vise à étudier les limites de RTC de détecteurs TEP-TdV ainsi que les approches permettant de tendre vers une RTC optimale. D'abord, une approche décrivant l'influence de la position d'interaction dans les détecteurs sur la RTC est exposée. Cette influence devient critique à de hautes valeurs de résolution, créant un biais lors de l'estimation du temps d'interaction dans le détecteur. Une validation expérimentale d'un modèle incluant ce biais est présentée. Une méthode d'estimation de la position d'interaction est ensuite proposée pour pallier l'effet dégradant du biais temporel. Une preuve de concept de la méthode est faite avec des scintillateurs et une électronique rapides, suivie d'une étude des requis de futurs détecteurs pour améliorer l'efficacité d'estimation. Ensuite, une caractérisation de la dynamique du dépôt d'énergie dans les scintillateurs est détaillée, permettant de guider la conception de détecteurs. Finalement, un nouveau modèle est proposé pour décrire la RTC de détecteurs produisant des photons dits prompts, prometteurs pour tendre vers une RTC optimale. Ce projet permet ainsi de mettre en évidence les défis à relever et les approches pour atteindre l'objectif d'une imagerie TEP avec TdV ultra-rapide pour une meilleure qualité d'image, une réduction de dose radioactive ou l'ouverture de la modalité vers une population pédiatrique.

Abstract: The next major breakthrough in positron emission tomography (PET) imaging relies on ultra-fast time-of-flight (TOF) measurement, which can substantially improve sensitivity and contrast in images. This progress requires a considerable improvement in the coincidence temporal resolution (CTR) of the detectors of the PET scanner compared to current technology. This project aims to study the limits of CTR of TOF-PET detectors as well as the approaches allowing to tend towards an optimal CTR. First, an approach describing the influence of the interaction position in the detectors on the CTR is presented. This influence becomes critical at high resolution values, creating a bias when estimating the interaction time in the detector. An experimental validation of a model including this bias is presented. A method for estimating the interaction position is then proposed to mitigate the degrading effect of the temporal bias. A proof of concept of the method is made with fast scintillators and electronics, followed by a study of the requirements of future detectors to improve the estimation efficiency. Then, a characterization of the dynamics of energy deposition in scintillators is detailed, allowing to guide the design of detectors. Finally, a new model is proposed to describe the CTR of detectors producing so-called prompt photons, promising to tend towards an optimal CTR. This project thus makes it possible to highlight the challenges to be met and the approaches to achieve the objective of PET imaging with ultra-fast TOF for better image quality, a reduction in radioactive dose or the opening of the modality to a pediatric population.