Kurzfassung
Im Rahmen des EndoTOFPET-US Projektes wird ein neuartiges multi-modales Gerät
für die Ultraschall-Endoskopie und Positronen-Emissions-Tomographie (PET) entwickelt.
Das Projekt zielt darauf ab, morphologische und funktionelle Biomarker zu detektieren
und quanti zieren, sowie neue Biomarker für die Onkologie der Prostata und Bauchspeicheldr
üse zu entwickeln. Das Detektorsystem besteht aus einer kleinen Detektorprobe,
welche an einem Ultraschallendoskop befestigt wird, sowie einer externen Detektorplatte.
Die Detektion der Gammastrahlen erfolgt mit Hilfe von Szintillationskristallen
und Silizium-Photomultiplier-Auslese.
Für die Charakterisierung von über 4000 SiPMs für die externe Platte wird eine automatische
Mess- und Analyseprozedur entwickelt. Die Kerneigenschaften der SiPMs, wie
z.B. Durchbruchspannung und Dunkelrate (DCR) werden extrahiert. Diese Kenntnis wird
sowohl für die Qualitätssicherung als auch für die Kalibrierung des Detektors benötigt.
Die Streuung zwischen minimaler und maximaler Durchbruchspannung innerhalb eines
4 4 SiPM-Arrays beträgt maximal 0.43 V mit einem Mittelwert von 0.15 V und einem
RMS von 0.06 V. Dies gewährleistet die optimale Versorgung jedes SiPMs mit seiner individuellen
Versorgungsspannung. Die mittlere Dunkelrate beträgt 1.49 MHz mit einem
RMS von 0.54 MHz und liegt damit unterhalb der akzeptablen Schwelle von 3 MHz. Zwei
überschüssige Module der externen Platte werden einige Jahre später neu vermessen und
analysiert und enthüllen eine vermutliche Veränderung der Rauscheigenschaften mit der
Zeit. Für die Charakterisierung von SiPMs von unterschiedlichen Herstellern wird ein
Software-Framework für die automatische Parameter-Extrahierung von Pulshöhenspektren
entwickelt und getestet, inklusive eines Fits an die gesamten Daten.
Um die Modellierung des EndoTOFPET-US-Detektors zu ermöglichen wird ein Framework
für GAMOS, einem GEANT4-basierten Simulationsprogramm, entwickelt, mit dem
Ziel, realistische Bildgebungsszenarien mit diesem asymmetrischen Detektor zu simulieren
und zu rekonstruieren. Die Simulationsstudien werden benutzt, um verschiedene mögliche
Detektor-Entwürfe zu vergleichen, die Entwicklung der Bildrekonstruktionssoftware voranzutreiben,
und um die Bildqualität qualitativ und quantitativ zu bewerten. Mit Hilfe
einfacher Phantome wird der Ein uss von Detektorrotation und Aufnahmezeit auf die
resultierende Bildqualität und Bildau ösung untersucht. Es wird gezeigt, dass eine Aufnahmezeit
von etwa 10 Minuten und geringe Rotation von etwa 10° zu einer Sättigung der Bildqualität führt. Darüberhinaus werden Studien mit Ganzkörper-Patientendaten
präsentiert. Die Ergebnisse suggerieren, dass der endoskopische Ansatz in der Lage ist,
eine Prostataläsion vom Untergrund von Blase und Prostata zu trennen.
Nach der Montage des Detektorsystems werden erste präklinische Studien präsentiert,
inklusive der Datennahme mit einfachen Phantomen sowie Untersuchungen an Schweinen.
Es wird gezeigt, dass Daten im Freihandmodus, also mit einer in der Hand gehaltenen
und frei beweglichen Probe, genommen und rekonstruiert werden können. Es wird demonstriert,
dass die gesamte Kette der Datennahme und Bildrekonstruktion, inklusive Slow
Control, Tracking und Ultraschall funktionsfähig ist und dass In-Vivo-Untersuchungen
mit dem Gerät möglich sind. Dennoch zeigen die aufgenommenen Bilder der Schweine
nicht die erwünschten Resultate und räumliche Verzerrungen der Phantom-Bilder treten
auf. Dies macht weitere präklinische Studien nötig, sobald die technische Inbetriebnahme
abgeschlossen ist.
In the scope of the EndoTOFPET-US project, a novel multimodal device for ultrasound (US) endoscopy and positron emission tomography (PET) is being developed. The project aims at detecting and quantifying morphologic and functional biomarkers and developing new biomarkers for pancreas and prostate oncology. The detector system comprises a small detector probe mounted on an ultrasound endoscope and an external detector plate. The detection of the gamma rays is realised by scintillator crystals with Silicon Photomultiplier (SiPM) read-out. For the characterisation of over 4000 SiPMs for the external plate, an automatised measurement and data analysis procedure is established. The key properties of the SiPMs like breakdown voltage and dark count rate (DCR) are extracted. This knowledge is needed both as a quality assurance as well as for the calibration of the detector. The spread between minimum and maximum breakdown voltage within a SiPM array of 4x4 is at maximum 0.43 V with a mean of 0.15 V and an RMS of 0.06 V. This assures the optimal biasing of each SiPM at its individual operating voltage. The mean DCR amounts to 1.49 MHz with an RMS of 0.54 MHz and is thus well below the acceptable threshold of 3 MHz. Two spare modules from the external plate are re-measured and analysed several years after the module assembly, revealing a potential alteration of the SiPM noise properties over time. For the characterisation of SiPMs from dierent vendors, a software framework for the automatic extraction of performance parameters from pulseheight spectra, including a t of the entire spectrum, is developed and tested. In order to facilitate the modelling of the response of the EndoTOFPET-US detector, a framework is developed which is built around the Geant4-based simulation toolkit GAMOS, to simulate and reconstruct realistic imaging scenarios with this asymmetric PET detector. The simulation studies are used to compare dierent possible detector designs, guide the development of the custom image reconstruction software, and assess the image quality qualitatively and quantitatively. With the help of simple simulated phantoms, the in uence of the amount of probe rotation and acquisition time on the resulting image quality and image resolution is investigated. It is shown that a scan time of approximately 10 minutes and small rotation of around 10° yields a saturation in image quality. Furthermore, studies using full-body patient data are presented. The results suggest that the endoscopic approach is able to separate the prostatic lesion well from the background radiation from prostate and bladder. After the assembly of the detector system, the rst pre-clinical commissioning is presented, including data acquisition using simple phantoms as well as in-vivo examinations of pigs. It is shown that data can be acquired and reconstructed in the freehand mode, i.e. using a hand-held and moving probe. It is demonstrated that the entire data taking and image reconstruction chain is functional, including slow control, tracking and ultrasound acquisition and that in-vivo acquisitions with the device are possible. However, the acquired pig images do not show the desired results, and there are spatial distortions in the reconstructed images of the phantoms, necessitating further pre-clinical trials once the technical commissioning phase is completed.