Development of a single photon counting computed tomography system using MPGDs

Abstract

The development of computed tomography systems with energy resolving detectors is a current challenge in medical physics and biomedical engineering. A computed tomography system of this kind allows getting complementary informations relatively to conventional systems, that can help the medical diagnosis, being of great interest in medicine. The work described in this thesis is related to the development of a computed tomography system using micropattern gaseous detectors, which allow storing, simultaneously, information about the interaction position and the energy of each single photon that interacts with the detector. This kind of detectors has other advantages concerning the cost and characteristics of operation when compared with solid state detectors. Tomographic acquisitions were performed using a MicroHole & Strip Plate based detector, which allowed reconstructing cross-sectional images using energy windows, applying the energy weighting technique and performing multi-slice and tri-dimensional reconstructions. The contrast-to-noise ratio was improved by 31% by applying the energy weighting technique, comparing with the corresponding image obtained with the current medical systems. A prototype of a computed tomography with flexibility to change the detector was developed, making it possible to apply different detectors based on Thick-COBRA. Several images acquired with these detectors are presented and demonstrate their applicability in X-ray imaging. When operating in NeCH4, the detector allowed a charge gain of 8 104, an energy resolution of 20% (full width at half maximum at 8 keV), a count rate of 1 106 Hz/mm2, a very stable operation (gain fluctuations below 5%) and a spacial resolution of 1.2 mm for an energy photon of 3.6 keV. Operating the detector in pure Kr allowed increasing the detection efficiency and achieving a charge gain of 2 104, an energy resolution of 32% (full width at half maximum at 22 keV), a count rate of 1 105 Hz/mm2, very stable operation and a spatial resolution of 500 m. The software already existing in the group was improved and tools to correct geometric misalignments of the system were also developed. The reconstructions obtained after geometrical correction are free of artefacts due to the referred misalignments.

O desenvolvimento de sistemas de tomografia computorizada que incorporem detetores com resolução em energia é um desafio atual em física médica e engenharia biomédica. Um sistema de tomografia computorizada espetral permite obter informações complementares comparativamente a um sistema convencional, que podem auxiliar no diagnóstico médico, sendo por isso de grande interesse em medicina. O trabalho exposto nesta tese prende-se com o desenvolvimento de um sistema de tomografia usando detetores gasosos microestruturados que permitem, simultaneamente, ter informação da posição de interacção e da energia de cada fotão que interage com o detetor. Este tipo de detetores possui ainda outras vantagens relativamente a custo ou características de funcionamento quando comparados com detetores de estado sólido. Foram realizadas aquisições tomográficas usando um detetor baseado numa MicroHole & Srip Plate que permitiu reconstruir imagens utilizando diferentes gamas de energia, aplicar técnicas de ponderação em energia e fazer pela primeira vez reconstrução multi-corte e obter imagens tri-dimensionais. Aplicando a técnica de ponderação em energia foi possível melhorar a relação contraste-ruído em 31% comparativamente à imagem correspondente aquela obtida nos actuais sistemas médicos. Posteriormente, foi desenvolvido um protótipo de um sistema de tomografia computorizada com flexibilidade para alterar o detetor, tornando possível utilizar vários detetores baseados na microestrutura Thick-COBRA. São apresentadas várias imagens adquiridas com estes detetores que evidenciam a sua aplicabilidade em imagiologia por raio-X. A operar no meio gasoso NeCH4 o detetor permitiu um ganho de 8 104, uma resolução em energia de 20% (largura a meia altura a 8 keV), uma taxa de contagem de 1 106 Hz/mm2, um funcionamento muito estável (variações de ganho inferiores a 5%) e uma resolução espacial de 1.2 mm para fotões de 3.6 keV. A operar em Kr puro foi possível aumentar a eficiência de deteção e alcançar um ganho de 2 104, uma resolução em energia de 32% (largura a meia altura a 22 keV), uma taxa de contagem de 1 105 Hz/mm2, um funcionamento também bastante estável e uma resolução espacial de 500 m. O software já existente no grupo para reconstrução de imagem foi melhorado e foram ainda desenvolvidas ferramentas para correcção de desalinhamentos geométricos do sistema. As reconstruções obtidas após correção geométrica surgem livres de artefactos originados pelos referidos desalinhamentos.