A Monte Carlo Simulation Study of Optimization for Collimator in a Pixelated SPECT Camera

Publication date: Available online 5 October 2018

Source: Journal of Medical Imaging and Radiation Sciences

Author(s): Zeinab Telikani, Alireza Sadremomtaz

Abstract

Objective

To investigate the influence of collimator hole shape, size, and material on the performance of the high-resolution SPECT camera to find the optimal collimator design using the GEANT4 application for the tomographic emission Monte Carlo platform.

Methods and Materials

The geometry of the dual head camera equipped with a pixelated CsI(Na) crystal, lead hexagonal-hole collimator, and two flat-panel H8500 position-sensitive photomultipliers were accurately described in the GEANT4 application for the tomographic emission. The basic features of the scanner were calculated by using 2 mCi ^99mTc sources.

Results

The simulated average spatial resolutions of lead hexagonal-, square-, and round-hole collimators were 2.68, 2.96, and 3.06 mm at 2.5 cm from the collimator surface, respectively. The sensitivity of the lead hexagonal-hole collimator was 10.86% and 18.84%, greater than that of the square and round holes, respectively, on the collimator surface. The measured averages of spatial resolution using gold were 16.14%, 11.39%, and 5.1% better than those of lead, tantalum, and tungsten hexagonal-hole collimators, respectively, at 2.5 cm from the collimator. The sensitivities of the tungsten, gold, tantalum, depleted uranium, and lead hexagonal-hole collimators were 0.74, 0.48, 1.127, 0.32, and 1.38 cps/μCi on the collimator surface, respectively.

Conclusions

The hexagonal-hole collimator was preferred over the square- and round-hole collimators because of the optimum sensitivity and spatial resolution offered by its regular arrangement of apertures. Also, the lower-absorption and stopping-power materials such as lead revealed relatively better characteristics at specific sensitivity, whereas higher-absorption materials such as gold showed the best spatial resolution. The collimator with finer hole size had the superior spatial resolution and less sensitivity than larger holes.

Résumé

Objectif

Cette étude a pour but d'évaluer, à l'aide de la plateforme Monte-Carlo GATE, l'influence qu'ont la forme et la grosseur des trous et le matériau d'un collimateur sur le rendement de la caméra à haute résolution de TEMP (HiReSPECT), et ce, en vue de déterminer le meilleur concept de collimateur.

Méthodologie et matériel

La géométrie de la caméra à deux têtes, qui est munie d'un collimateur en plomb à trous hexagonaux avec cristaux pixélisés de CsI (Na), ainsi que de deux photomultiplicateurs à panneaux plats H8500 à détection de position, a été décrite de façon exacte dans la plateforme GATE. Les caractéristiques de base du tomodensitomètre ont été calculées à l'aide de sources de 2 mCi ^99mTc.

Résultats

La résolution spatiale moyenne simulée des collimateurs en plomb et à trous hexagonaux, carrés et ronds était respectivement de 2,68 mm, 2,96 mm et 3,06 mm, à 2,5 cm de la surface du collimateur. La sensibilité du collimateur en plomb à trous hexagonaux était de 10,86% et de 18,84%, plus grande que celles des collimateurs à trous de forme carrée et de forme ronde à la surface du collimateur, respectivement. Les résolutions spatiales moyennes obtenues en utilisant de l'or étaient de 16,14%, de 11,39% et de 5,1%, meilleures que celles obtenues respectivement à 2,5 cm du collimateur en utilisant des collimateurs à trous hexagonaux et faits à partir de plomb, de tantale et de tungstène. La sensibilité des collimateurs à trous hexagonaux et faits à partir de tungstène, d'or, de tantale, d'uranium appauvri et de plomb était respectivement de 0,74, 0,48, 1,127, 0,32 et 1,38 cps/μCi à la surface du collimateur.

Conclusions

Nous préférons le collimateur à trous hexagonaux aux collimateurs percés de trous carrés ou ronds puisqu'il est plus sensible que les autres et qu'il permet d'obtenir une résolution spatiale optimale grâce à la disposition régulière de ses ouvertures. De plus, de façon relative, les matériaux à faible capacité d'absorption et de pénétration tels que le plomb affichaient de meilleures caractéristiques à certaines sensibilités, alors que les matériaux à forte capacité d'absorption tels que l'or permettaient d'obtenir la meilleure résolution spatiale. Le collimateur avec des trous de dimension inférieure permettait d'obtenir une résolution spatiale supérieure aux autres et était moins sensible que les collimateurs percés de plus gros trous.

Graphical abstract

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