Reconstruction of hit time and hit position of annihilation quanta in the J-PET detector using the Mahalanobis distance

Open access

Abstract

The J-PET detector being developed at the Jagiellonian University is a positron emission tomograph composed of the long strips of polymer scintillators. At the same time, it is a detector system that will be used for studies of the decays of positronium atoms. The shape of photomultiplier signals depends on the hit time and hit position of the gamma quantum. In order to take advantage of this fact, a dedicated sampling front-end electronics that enables to sample signals in voltage domain with the time precision of about 20 ps and novel reconstruction method based on the comparison of examined signal with the model signals stored in the library has been developed. As a measure of the similarity, we use the Mahalanobis distance. The achievable position and time resolution depend on the number and values of the threshold levels at which the signal is sampled. A reconstruction method as well as preliminary results are presented and discussed.

1. Moskal, P. (2014). UE Patents Nos. EP2454612B1 and EP2454611B8. Munich: European Patent Office; Moskal, P. (2014). Polish Patents Nos. WO2011008119 and WO2011008118. Kraków: Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej.

2. Moskal, P., Salabura, P., Silarski, M., Smyrski, J., Zdebik, J., & Zieliński, M. (2011). Novel detector systems for the Positron Emission Tomography. Bio-Algorithms and Med-Systems, 7, 73–78. [arXiv:1305.5187].

3. Moskal, P., Bednarski, T., Białas, P., Ciszewska, M., Czerwiński, E., Heczko, A., Kajetanowicz, M., Kapłon, Ł., Kochanowski, A., Konopka-Cupiał, G., Korcyl, G., Krzemień, W., Łojek, K., Majewski, J., Migdał, W., Molenda, M., Niedzwiecki, Sz., Pałka, M., Rudy, Z., Salabura, P., Silarski, M., Słomski, A., Smyrski, J., Zdebik, J., & Zieliński, M. (2012). STRIP-PET: a novel detector concept for the TOF-PET scanner. Nucl. Med. Rev., 15, C68–C69. [arXiv:1305.5562].

4. Moskal, P., Bednarski, T., Białas, P., Ciszewska, M., Czerwiński, E., Heczko, A., Kajetanowicz, M., Kapłon, Ł., Kochanowski, A., Konopka-Cupiał, G., Korcyl, G., Krzemień, W., Łojek, K., Majewski, J., Migdał, W., Molenda, M., Niedzwiecki, Sz., Pałka, M., Rudy, Z., Salabura, P., Silarski, M., Słomski, A., Smyrski, J., Zdebik, J., & Zieliński, M. (2012). TOF-PET detector concept based on organic scintillators. Nucl. Med. Rev., 15, C81–C84. [arXiv:1305.5559].

5. Moskal, P., Niedźwiecki, Sz., Bednarski, T., Czerwiński, E., Kapłon, Ł., Kubicz, E., Moskal, I., Pawlik-Niedźwiecka, M., Sharma, N. G., Silarski, M., Zieliński, M., Zoń, N., Białas, P., Gajos, A., Kochanowski, A., Korcyl, G., Kowal, J., Kowalski, P., Kozik, T., Krzemień, W., Molenda, M., Pałka, M., Raczyński, L., Rudy, Z., Salabura, P., Słomski, A., Smyrski, J., Strzelecki, A., Wieczorek, A., & Wiślicki, W. (2014). Test of a single module of the J-PET scanner based on plastic scintillators. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A-Accel. Spectrom. Dect. Assoc. Equip., 764, 317–321. DOI: 10.1016/j.nima.2014.07.052. [arXiv:1407.7395].

6. Kowalski, P., Moskal, P., Wiślicki, W., Raczyński, L., Bednarski, T., Białas, P., Bułka, J., Czerwiński, E., Gajos, A., Gruntowski, A., Kamińska, D., Kapłon, Ł., Kochanowski, A., Korcyl, G., Kowal, J., Kozik, T., Krzemień, W., Kubicz, E., Niedźwiecki, Sz., Pałka, M., Rudy, Z., Salabura, P., Sharma, N. G., Silarski, M., Słomski, A., Smyrski, J., Strzelecki, A., Wieczorek, A., Wochlik, I., Zieliński, M., & Zoń, N. (2015). Multiple scattering and accidental coincidences in the J-PET detector simulated using GATE package. Acta Phys. Pol. A, 127(5), 1505–1512. DOI: 10.12693/APhysPolA.127.1505. [arXiv:1502.04532].

7. Krzemień, W., Gajos, A., Gruntowski, A., Stoła, K., Trybek, D., Bednarski, T., Bialas, P., Czerwiński, E., Kaminska, D., Kapłon, Ł., Kochanowski, A., Korcyl, G., Kowal, J., Kowalski, P., Kozik, T., Kubicz, E., Moskal, P., Niedźwiecki, Sz., Pałka, M., Raczyński, L., Rudy, Z., Salabura, P., Sharma, N. G., Silarski, M., Słomski, A., Smyrski, J., Strzelecki, A., Wieczorek, A., Wiślicki, W., Zieliński, M., & Zon, N. (2015). Analysis framework for the J-PET scanner. Acta Phys. Pol. A, 127(5), 1491–1494. DOI: 10.12693/APhysPolA.127.1491. [arXiv:1503.00465].

8. Wieczorek, A., Moskal, P., Niedźwiecki, Sz., Bednarski, T., Białas, P., Czerwiński, E., Danel, A., Gajos, A., Gruntowski, A., Kamińska, D., Kapłon, Ł., Kochanowski, A., Korcyl, G., Kowal, J., Kowalski, P., Kozik, T., Krzemień, W., Kubicz, E., Molenda, M., Pałka, M., Raczyński, L., Rudy, Z., Rundel, O., Salabura, P., Sharma, N. G., Silarski, M., Słomski, A., Smyrski, J., Strzelecki, A., Uchacz, T., Wiślicki, W., Zieliński, M., & Zoń, N. (2015). A pilot study of the novel J-PET plastic scintillator with 2-(4-styrylphenyl)benzoxazole as a wavelength shifter. Acta Phys. Pol. A, 127(5), 1487–1490. DOI: 10.12693/APhysPolA.127.1487. [arXiv:1502.02901].

9. Białas, P., Kowal, J., Strzelecki, A., Bednarski, T., Czerwiński, E., Gajos, A., Kamińska, D., Kapłon, Ł., Kochanowski, A., Korcyl, G., Kowalski, P., Kozik, T., Krzemień, W., Kubicz, E., Moskal, P., Niedźwiecki, Sz., Pałka, M., Raczyński, L., Rudy, Z., Rundel, O., Salabura, P., Sharma, N. G., Silarski, M., Słomski, A., Smyrski, J., Wieczorek, A., Wiślicki, W., Zieliński, M., & Zoń, N. (2015). GPU accelerated image reconstruction in a two-strip J-PET tomograph. Acta Phys, Pol. A, 127(5), 1500–1504. DOI: 10.12693/APhysPolA.127.1500. [arXiv:1502.07478].

10. Moses, W. W., & Derenzo, S. E. (1999). Prospects for time-of-flight PET using LSO scintillator. IEEE Trans. Nucl. Sci., 46, 474–478. DOI: 10.1109/23.775565.

11. Moskal, P., Zoń, N., Bednarski, T., Białas, P., Czerwiński, E., Gajos, A., Kamińska, D., Kapłon, Ł., Kochanowski, A., Korcyl, G., Kowal, J., Kowalski, P., Kozik, T., Krzemień, W., Kubicz, E., Niedźwiecki, Sz., Pałka, M., Raczyński, L., Rudy, Z., Rundel, O., Salabura, P., Sharma, N. G., Silarski, M., Słomski, A., Smyrski, J., Strzelecki, A., Wieczorek, A., Wiślicki, W., & Zieliński, M. (2015). A novel method for the line-of-response and time-of-flight reconstruction in TOF-PET detectors based on a library of synchronized model signals. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A-Accel. Spectrom. Dect. Assoc. Equip., 775, 54–62. DOI: 10.1016/j.nima.2014.12.005. [arXiv:1412.6963].

12. Moskal, P., Sharma, N. G., Silarski, M., Bednarski, T., Białas, P., Bulka, J., Czerwiński, E., Gajos, A., Kamińska, D., Kapłon, Ł., Kochanowski, A., Korcyl, G., Kowal, J., Kowalski, P., Kozik, T., Krzemień, W., Kubicz, E., Niedźwiecki, Sz., Pałka, M., Raczyński, L., Rudy, Z., Rundel, O., Salabura, P., Słomski, A., Smyrski, J., Strzelecki, A., Wieczorek, A., Wiślicki, W., Wochlik, I., Zieliński, M., & Zoń, N. (2015). Hit time and hit position reconstruction in the J-PET detector based on a library of averaged model signals. Acta Phys. Pol. A, 127(5), 1495–1499. DOI: 10.12693/APhysPolA.127.149. [arXiv:1502.07886].

13. Pałka, M., Bednarski, T., Białas, P., Czerwiński, E., Kapłon, Ł., Kochanowski, A., Korcyl, G., Kowal, J., Kowalski, P., Kozik, T., Krzemień, W., Molenda, M., Moskal, P., Niedźwiecki, Sz., Pawlik, M., Raczyński, L., Rudy, Z., Salabura, P., Sharma, N. G., Silarski, M., Słomski, A., Smyrski, J., Strzelecki, A., Wiślicki, W., Zieliński, M., & Zoń, N. (2014). A novel method based solely on FPGA units enabling measurement of time and charge of analog signals in Positron Emission Tomography. Bio-Algorithms and Med-Systems, 10(1), 41–45. DOI: 10.1515/bams-2013-0104. [arXiv:1311.6127].

14. Raczyński, L., Moskal, P., Kowalski, P., Wiślicki, W., Bednarski, T., Białas, P., Czerwiński, E., Kapłon, Ł., Kochanowski, A., Korcyl, G., Kowal, J., Kozik, T., Krzemień, W., Kubicz, E., Molenda, M., Moskal, I., Niedźwiecki, Sz., Pałka, M., Pawlik-Niedźwiecka, M., Rudy, Z., Salabura, P., Sharma, N. G., Silarski, M., Słomski, A., Smyrski, J., Strzelecki, A., Wieczorek, A., Zieliński, M., & Zoń, N. (2014). Novel method for hit-position reconstruction using voltage signals in plastic scintillators and its application to Positron Emission Tomography. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A-Accel. Spectrom. Dect. Assoc. Equip., 764, 186–192. DOI: 10.1016/j.nima.2014.07.032. [arXiv:1311.6127].

15. Raczyński, L., Moskal, P., Kowalski, P., Wiślicki, W., Bednarski, T., Białas, P., Czerwiński, E., Gajos, A., Kapłon, Ł., Kochanowski, A., Korcyl, G., Kowal, J., Kozik, T., Krzemień, W., Kubicz, E., Niedźwiecki, Sz., Pałka, M., Rudy, Z., Rundel, O., Salabura, P., Sharma, N. G., Silarski, M., Słomski, A., Smyrski, J., Strzelecki, A., Wieczorek, A., Zieliński, M., & Zoń, N. (2015). Compressive sensing of signals generated in plastic scintillators in a novel J-PET instrument. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A-Accel. Spectrom. Dect. Assoc. Equip., 786, 105–112. DOI: 10.1016/j.nima.2015.03.032. [arXiv:1503.05188].

16. Mahalanobis, P. C. (1936). On the generalised distance in statistics. Proceedings of the National Institute of Sciences of India, 2(1), 49–55.

17. Bettinardi, V., Presotto, L., Rapisarda, E., Picchio, M., Gianolli, L., & Gilardi, M. C. (2011). Physical performance of the new hybrid PET/CT Discovery-690. Med. Phys., 38(10), 5394–5411. DOI: 10.1118/1.3635220.

Nukleonika

The Journal of Instytut Chemii i Techniki Jadrowej

Journal Information


IMPACT FACTOR 2017: 0.720
5-year IMPACT FACTOR: 0.610



CiteScore 2017: 0.64

SCImago Journal Rank (SJR) 2017: 0.294
Source Normalized Impact per Paper (SNIP) 2017: 0.509

Metrics

All Time Past Year Past 30 Days
Abstract Views 0 0 0
Full Text Views 130 130 21
PDF Downloads 33 33 6