Interdisciplinary Applications of Automated Computational Workflows for XMM-Newton Cross-Calibration and Monte Carlo Simulations of eROSITA and a Breast PET Insert

Abstract

Drei interdisziplinäre wissenschaftliche Projekte, die automatisierte computergestützte Workflows für skalierbare und reproduzierbare Datenanalysen nutzen, werden in dieser Arbeit vorgestellt. Die CORRAREA Korrektur ist eine empirische Korrektur für die verbleibenden relativen Unsicherheiten in der Kalibrierung der effektiven Flächen auf den optischen Achsen des XMM-Newton European Photon Imaging Camera (EPIC) Instruments. Diese Unsicherheiten können zu Differenzen in den mit EPIC-MOS und EPIC-pn bestimmten Flüssen in der Größenordnung von 10 % führen. Für Projekt I wurde ein generisches Workflowsystem entwickelt und für die Erstellung und Validierung einer aktualisierten CORRAREA Korrektur genutzt. Die Korrektur basiert auf einer Kreuzkalibrierung unter Verwendung einer großen Auswahl an Beobachtungen und ist als energieabhängiger multiplikativer Faktor implementiert, der als Teil der aktuellen Kalibrierungsdateien (CCFs) für XMM-Newton verfügbar ist. Die neue Korrektur wurde anhand mehrerer Teilauswahlen validiert, die auf dem Beobachtungsmodus, dem Pile-up-Level und der Beobachtungsepoche basieren. Die Validierung demonstrierte die Robustheit der neuen CORRAREA Korrektur. Bei niedrigen Energien, die nicht von der CORRAREA Korrektur betroffen sind, zeigte die Validierung signifikante relative Unsicherheiten in der zeitabhängigen Kalibrierung und der Kalibrierung der einzelnen Beobachtungsmodi auf. Monte-Carlo-Simulationen zur Charakterisierung des Hintergrunds bei geschlossenem Filterrad (FWC) des eROSITA Teleskops an Bord des SRG Observatoriums, die mit Geant4 durchgeführt wurden, sind in Projekt II beschrieben. Ein neues Massenmodell der eROSITA Kamera wurde erstellt, das eine detaillierte Beschreibung der Geometrie und Materialzusammensetzungen, inklusive Verunreinigungen basierend auf Herstellerangaben und Messungen, enthält. Für die Modellierung der Detektoreffekte wurde ein neuer Digitalisierungs- und Datenanalyseworkflow entwickelt, mit Fokus auf präziser Modellierung und unter Verwendung des Musterabgleichsalgorithmus aus dem eROSITA Softwaresystem für wissenschaftliche Analysen (eSASS). Das simulierte Hintergrundniveau stimmte mit den Messungen im Orbit im Rahmen der Unsicherheiten des Strahlungs- und Teilchenhintergrunds überein, im Gegensatz zu Simulationsstudien, die vor dem Start von eROSITA durchgeführt wurden. Die Simulationsergebnisse enthalten mehrere Fluoreszenzlinien, die ebenfalls im gemessenen eROSITA FWC Spektrum enthalten sind, wobei die absoluten Ausprägungen der Fluoreszenzlinien nicht nachgestellt werden konnten. Die Simulationen zeigten auf, dass die Verunreinigungen in den Berylliumabschirmungen den Hauptanteil zur Eisenfluoreszenzlinie beitragen. Die Aluminiumlinie wurde entgegen früherer Erwartungen überwiegend innerhalb der Kamera anstatt des Filterrads erzeugt. Für Projekt III wurden Monte-Carlo-Simulationen mit GATE durchgeführt, um die PET-Leistungsmerkmale von drei Geometrien eines künftigen Brust-PET/MRI-Inserts zu bestimmen und zu vergleichen, das innerhalb eines PET/MRI-Ganzkörperscanners betrieben werden soll. Absolute Sensitivitäten des Brust-PET-Inserts von 3.1 % (Geometrie A), 2.7 % (Geometrie B) und 2.2 % (Geometrie C) wurden am Zentrum des Gesichtsfelds (cFOV) des Brust-PET-Inserts gefunden. Ortsauflösungen zwischen 1.4 mm und 2.0 mm wurde nahe des cFOV festgestellt, und die Simulationen offenbarten die Notwendigkeit von Detektoren, welche die Interaktionstiefe (DOI) bestimmen können, um dem Parallaxenfehler an den Rändern des Gesichtsfelds entgegenwirken zu können. Simulationen der rauschäquivalenten Zählrate (NECR) zeigten, dass das Brust-PET-Insert in typischen klinischen Szenarios unterhalb der Sättigungsgrenze operieren wird. Simulationen eines anthropomorphen Phantoms führten zu einer Hintergrundzählrate an Einzelevents von bis zu 17.1 Mcps (Geometrie A). Durch die Erfassung von gemischten Koinzidenzen zwischen Brust-PET-Insert und Ganzkörperscanner kann die Sensitivität in der Region der axillären Lymphknoten zwischen 26 % und 52 % im Vergleich zur Sensitivität unter ausschließlicher Verwendung der Koinzidenzen des Ganzkörperscanners gesteigert werden, was durch Simulationen mit zwei Systemen gezeigt wurde. Zusätzlich zeigten die Simulationen mögliche Verbesserungen der durchschnittlichen Radialkomponente der Ortsauflösung in der Region der axillären Lymphknoten für gemischte Koinzidenzen von 6.9 mm (ohne Brust-PET-Insert) auf 4.0 mm (Geometrie A, DOI mit zwei Schichten) und 3.8 mm (Geometrie A, DOI mit drei Schichten).

Three interdisciplinary scientific projects using automated computational workflows for scalable and reproducible data analyses are presented in this work. The CORRAREA correction is an empirical correction for the remaining relative uncertainties in the on-axis effective area calibration of the XMM-Newton European Photon Imaging Camera (EPIC) instrument. These uncertainties can lead to differences in the fluxes derived from EPIC-MOS and EPIC-pn data on the order of 10 %. In Project I, a generic workflow system was developed and used for the derivation and validation of an updated CORRAREA correction. The correction is based on cross-calibration using a large sample of observations and is implemented as an energy-dependent multiplicative factor available as part of the XMM-Newton Current Calibration Files (CCFs). The new correction was validated on several sub-samples based on the science mode, pile-up level, and observation epoch. The validation demonstrated the robustness of the new CORRAREA correction. At low energies unaffected by the CORRAREA correction, the validation revealed significant remaining relative uncertainties in the time-dependent calibration and the calibration of individual science modes. Monte Carlo simulations performed with Geant4 for characterizing the Filter Wheel Closed (FWC) background of the eROSITA telescope on board the SRG observatory are described in Project II. A new mass model of the eROSITA camera was created, which provides a detailed description of the geometry and material compositions, including impurities based on manufacturer specifications and measurements. For modeling of detector effects, a new digitizer and data analysis workflow was developed with the focus on precise modeling, using the pattern matching algorithm from the eROSITA Science Analysis Software System (eSASS). The simulated background level agreed with the in-orbit measurements within the uncertainties of the radiation and particle environment, in contrast to pre-launch simulation studies. The simulation results show several prominent fluorescence lines that also exist in the measured eROSITA FWC spectrum, although the absolute strengths of the fluorescence lines could not be reproduced. The simulations demonstrated that impurities in the beryllium shielding are the main contributors to the iron fluorescence line. The aluminium line was found to be produced predominantly inside the camera instead of in the filter wheel, in contrast to previous expectations. In Project III, Monte Carlo simulations were performed with GATE to evaluate and compare the PET performance characteristics of three geometries of a future breast PET/MRI insert, that will be operated inside a whole-body PET/MRI scanner. Absolute breast PET insert sensitivities of 3.1 % (Geometry A), 2.7 % (Geometry B), and 2.2 % (Geometry C) were found at the center of the Field Of View (cFOV) of the breast PET insert. Spatial resolutions between 1.4 mm and 2.0 mm were determined close to the cFOV, and the simulations revealed the necessity of using detectors with Depth Of Interaction (DOI) capability to compensate for the parallax error close to the edges of the FOV. Simulations of the Noise Equivalent Count Rate (NECR) showed that the breast PET insert will operate below saturation for typical clinical scenarios. Simulations of an anthropomorphic phantom revealed background single count rates of up to 17.1 Mcps (Geometry A). By collecting mixed coincidences between the breast PET insert and the whole-body PET scanner, dual-system simulations demonstrated an increase in sensitivity at the axillary lymph node region by between 26 % and 52 % compared to using only the whole-body PET scanner coincidences. Furthermore, the simulations showed potential improvements in the mean radial spatial resolution component in the axillary lymph node region using mixed coincidences from 6.9 mm (without breast PET insert) to 4.0 mm (Geometry A, two-layer DOI) and 3.8 mm (Geometry A, three-layer DOI).