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A Scalable Dynamic TOT Circuit for a 100 ps TOF-PET Detector Design to Improve Energy Linearity and Dynamic Range

动态范围 线性 高动态范围 宽动态范围 探测器 航程(航空) 材料科学 可扩展性 能量(信号处理) 计算机科学 电子工程 物理 工程类 电信 量子力学 数据库 复合材料
作者
Shirin Pourashraf,Joshua W. Cates,Craig S. Levin
出处
期刊:IEEE transactions on radiation and plasma medical sciences [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:8 (3): 237-247 被引量:6
标识
DOI:10.1109/trpms.2023.3344399
摘要

This article focuses on adapting linearization strategies for annihilation photon energy measurement for a time-of-flight (TOF) positron emission tomography (PET) system that achieves $\sim 100$ picosecond (ps) full-width at half maximum (FWHM) coincidence time resolution (CTR). We have adapted the method of dynamic TOT (DynTOT) for our scalable TOF-PET detector readout electronics to linearize the energy spectra while maintaining $\sim 100$ ps FWHM CTR. The linear response of the resulting DynTOT circuit facilitates improved energy performance compared with conventional time-over-threshold (TOT). Our detector design has the capability to position the 3-D coordinates of one or more 511-keV photon interactions. To facilitate this goal, DynTOT's linearity across the entire energy range enables accurate measurement of low-energy interactions that is required for more accurate positioning of intercrystal scatter events. This DynTOT block is implemented by off-the-shelf discrete components and consumes only 11 mW power per detector layer unit design comprising 24:1 multiplexed energy and timing channels. We first validated the performance of DynTOT using single $3\times 3\times10$ mm3 LGSO scintillation crystals side-coupled to arrays of three $3\times3$ mm2 SiPMs which achieved 511-keV photopeak energy resolutions of 13.6 ± 0.4%, 13.0 ± 0.8%, and 17.1 ± 0.6% for conventional pulse height, DynTOT, and conventional TOT methods, respectively. Then, we stretched by roughly 7-fold the DynTOT digital pulses (energy) generated from side-coupling $2\times4$ array of $3\times 3\times10$ mm3 crystals to 24 SiPMs, and achieved 511-keV photopeak energy resolutions of 11.8 ± 0.7% with a dynamic range from less than 60 to 1274 keV, making that suitable for methods of accurate 3-D positioning of intercrystal-scatter interactions. Moreover, CTR with a highly multiplexed timing circuit was measured using these extended DynTOT pulses for energy gating, resulting in an average 108 ± 1.3 ps FWHM CTR.
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