Characterization of a pixel CdTe detector for nuclearv medicine imaging

Abstract

Aquesta tesi presenta la caracterització d’un disseny de detector pxel de CdTe per aplicació en imatge en medicina nuclear. El treball d’aquesta tesi s’ha portat a terme en el marc del projecte Voxel Imaging PET (VIP) Pathnder. El projecte VIP es un projecte ambiciós que pretén provar la viabilitat d’utilitzar detectors pixel·lats de CdTe en imatge en medicina nuclear. El disseny proposat és el mòdul VIP, que consta de blocs de CdTe de 10 mm 10 mm de superfcie i 2 mm de gruix, que estan segmentats en pxels de 1 mm 1 mm. Cada diode de CdTe és llegit pel VIP-PIX, un xip desenvolupat pel projecte VIP i que ofereix una lectura intelligent i independent per píxel i proporciona la mesura en energia i en temps per cada detecció. El treball presentat en aquesta tesi és la caracterització del rendiment de tres experiments per validar el comportament del mòdul VIP. En primer lloc s’ha realitzat la mesura de la resolució en energia i la resolució en coincidència temporal per un detector coplanar de 2 mm de gruix. En segon lloc, s’ha mesurat el charge sharing entre píxels. Per a aquest propòsit, s’ha utilitzat un experiment amb un diode de CdTe llegit per xip VATAGP7.1. L’efecte del charge sharing en la resolució en energia dels píxels també s’ha estudiat. Finalment, s’ha evaluat el rendiment d’un diode de CdTe llegit pel xip VIP-PIX. El rendiment dels circuits electrònics del VIP-PIX s’han caracteriztat i s’ha mesurat la resolució en energia dels píxels de CdTe Aquesta tesi consta de 7 capítols. El capítol 1 parla de la física en la detecció de radiació, especialment centrada en la detecció gamma. El capítol 2 parla de la medicina nuclear, les tècniques utilitzades i els escàners més novedosos emprats en aquest àmbit. El capítol 3 parla del projecte VIP, mostra els detalls del disseny VIP, els objectius aconseguits ns al moment i els objectius a assolir per al nal del projecte. Els capítols 4, 5, i 6 mostren cadascuna de les tres etapes dels experiments realitzats durant la tesi. El capítol 4 mostra les mesures de resolució en energia i coincidència en temps de detecció d’un detector amb un únic píxel de 2 mm de gruix. El capítol 5 mostra les mesures de charge sharing per un detector amb píxels de 2 mm 1 mm i el seu efecte en la resolució en energia. El capítol 6 mostra la mesura de resolució en energia per un detector de CdTe pixel·lat llegit pel xip VIP-PIX, que té píxels de 1 mm 1 mm. El capítol 7 presenta les conclusions assolides amb els tres anàlisis i els posa en el context del camp de deteccio de radiacions per a imatge mèdica.

This thesis presents the characterization of a pixel CdTe detector design for application in nuclear medicine imaging. The thesis work has been carried out within the framework of the Voxel Imaging PET (VIP) Pathfinder project. The VIP project is an ambitious project that aims to prove the feasibility of using pixelated CdTe detectors in nuclear medicine imaging. The proposed design is the VIP module, which consists of slabs of CdTe of 10 mm x 10 mm surface and 2 mm thickness, which are segmented into pixels of 1 mm x 1 mm. Each CdTe diode is readout by the VIP-PIX, an ASIC developed by the VIP project which others smart readout per pixel and provides the energy measurement and the timestamp for each detection. The work presented in this thesis is the characterization of the performance of three different setups to validate the behavior of the VIP module. One of the steps consists of the measurement of the energy resolution and the coincidence time resolution for a CdTe coplanar detector of 2 mm thickness. In the second step the charge sharing between pixels has been measured. A setup with a CdTe diode readout by the VATAGP7.1 has been used. The e ect of the charge sharing on the energy resolution of the pixels has been studied as well. Finally, the performance of a CdTe diode readout by a VIP-PIX ASIC has been evaluated. The performance of the VIP-PIX electronics has been characterized and the energy resolution of the CdTe pixels has been measured. The thesis consists of 7 chapters. Chapter 1 is about the physics behind radiation detection, especially focused on gamma detection. Chapter 2 is about nuclear medicine, the techniques used and the state-of-the-art of nuclear medicine scanner devices. Chapter 3 is about the VIP project, it shows the details of the VIP design, the goals achieved so far, and the targets for the end of the project. Chapters 4, 5, and 6 show each of the three stages of experiments carried out in the thesis. Chapter 4 shows the energy resolution and coincidence time resolution of a single pixel detector with 2 mm thickness. Chapter 5 shows the measurement of charge sharing for a pixel detector with pixels of 2 mm x 1 mm and its effect on the energy resolution. Chapter 6 shows the measurement of the energy resolution for a pixelated CdTe diode readout by the VIP-PIX ASIC, which has pixels of 1 mm x 1 mm. Chapter 7 presents the conclusions achieved with the three analyses and puts them in the context of the radiation detection science for medical imaging.