Optimized pet module for both pixelated and monolithic scintillator crystals
- Autores: David Sanchez Gonzalo
- Directores de la Tesis: David Gascón Fora (dir. tes.), Sergio Gómez Fernández (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Lluís Garrido Beltrán (presid.), Antonio Javier González Martínez (secret.), Emilie Roncali (voc.)
- Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Física
- Materias:
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- Resumen
Resumen de la Tesis: La innovación tecnológica en la Tomografía por Emisión de Positrones (PET) ha experimentado enormes mejoras en las últimas décadas, desde que se comercializaron los primeros dispositivos en la década de 1960. Recientemente, el escáner de TEP ha sido combinado con éxito con la Tomografía Computarizada (TC) de rayos X o la Resonancia Magnética (RM), haciendo así que la TEP-TC y la TEP sean una herramienta de diagnóstico médico clave para combatir las enfermedades cancerígenas y varios trastornos cerebrales como el Alzheimer. Aunque la TEP es la modalidad de imagen molecular más sensible, que permite estudios dinámicos y cuantitativos de los procesos metabólicos dentro del cuerpo, una serie de desafíos médicos exigen una mayor mejora de la sensibilidad. Los nuevos desarrollos permitirán la posibilidad de realizar un seguimiento in vivo de la dinámica de las células, lo que a su vez permitirá estudiar la actividad al nivel más microscópico en el cuerpo del paciente.
La mejora de la sensibilidad está relacionada con una mejor relación señal-ruido (SNR) en la imagen calidad que permitiera detectar tumores más pequeños, acelerando así el tratamiento del paciente y aumentar las posibilidades de recuperación. Además, el aumento de la sensibilidad también permite extender la duración con la misma dosis de inyección o disminuir la cantidad en la dosis. Por un lado, un mayor tiempo de exploración sería particularmente útil para aquellos trazadores "lentos" como las imágenes del cerebro utilizadas en estudios de investigación de inmunoterapia. Además, existe la posibilidad de reducir la dosis del paciente manteniendo la calidad de la imagen, lo que permitiría integrar los protocolos de TEP en otras áreas como los estudios de inflamación, cardiacos o enfermedades infecciosas. Además, una dosis lo suficientemente baja abriría la aplicabilidad de las imágenes TEP en pediatría, neonatales o prenatales dependiendo de la reducción de la dosis.
Se pueden considerar tres formas principales para mejorar la sensibilidad de los escáneres PET: mejorar la eficiencia del detector, aumentando la aceptación geométrica de los rayos gamma y mejorando el rendimiento del Tiempo de Vuelo (TOF) del sistema. Los dos primeros elementos están relacionados con la capacidad del sistema TEP a la hora de recoger los fotones gamma generados durante la emisión de radio-trazadores dentro del paciente. Se necesita una alta eficiencia de detección para convertir cada fotón gamma que llega al detector en una señal y finalmente en una imagen del órgano a estudiar. Además, muchos fotones no son detectados por el escáner de TEP ya que la longitud axial en los dispositivos comerciales se limita a 20-30 cm. Extendiendo la longitud axial a 2 m (TEP de cuerpo entero) haría aumentar la recolecta de rayos gamma en un factor 40, aumentando así la sensibilidad por el mismo factor en una exploración de cuerpo entero. Por último, la información precisa del TOF respecto a los dos gammas emitidos en coincidencia hacia dos detectores independientes, pueden combinarse con los otros dos enfoques para mejorar aún más la sensibilidad de la PET.
Esta tesis está enfocada a las capacidades de TOF de un módulo detector de rayos gamma para aplicaciones TEP usando una electrónica desarrollada por nuestro grupo (Unidad Tecnológica del ICCUB). Las principales contribuciones de esta tesis son: (1) caracterización eléctrica y óptica completa del ASIC HRFlexToT; (2) medición de la resolución energética y temporal usando una fuente de láser pulsado y cristales segmentados; (3) medición de la resolución energética y temporal usando cristales monolíticos y un novedoso método de corrección para los desajustes de las medidas temporales mediante una fuente de láser pulsado; 4) desarrollo de un nuevo entorno de simulación que permite la optimización de todo el sistema TOF-TEP.
La primera parte de la tesis proporciona una visión completa de un módulo detector de rayos gamma para tecnología TEP, así como los elementos básicos que componen dicho módulo detector, que van desde el cristal de centelleo, el sensor (en este caso un fotomultiplicador de silicio, SiPM) hasta la electrónica de procesamiento de señal. La mayor diferencia en la elección de un cristal u otro proviene de su geometría, donde se puede elegir entre un enfoque segmentado o monolítico dependiendo de los requisitos del sistema. En esta primera parte se mide el rendimiento intrínseco al utilizar cristales segmentados, la energía y resolución temporal son los parámetros que nos dan una figura de mérito para poder comparar con el estado del arte actual. Se logra una resolución energética del 10% a 511 keV junto con una Resolución de Tiempo de Coincidencia (CTR) de 117 ps en FWHM usando un cristal LSO:Ce 0,4% Ca de 2 mm × 2 mm × 5 mm de tamaño. Además, el HRFlexToT es capaz de obtener una Resolución de Tiempo de Fotón Único (SPTR) de 142 ps en FWHM usando el modelo de SiPM NUV-HD con 4 mm × 4 mm del fabricante FBK, lo que lo convierte en un firme candidato al comparar con los competidores directos.
La segunda parte de esta tesis presenta los resultados usando esta vez cristales monolíticos. El cristal monolítico es una configuración efectiva en términos de rendimiento de un sistema de PET, ya que el coste del proceso de fabricación es más barato, mientras que la resolución espacial y la información del Profundidad de Interacción (DOI) del rayo gamma podrían mejorar con respecto a sistemas que utilizan cristales segmentados. Por contrapartida, la resolución temporal empeora debido a que la distribución acaba manchando varios canales de sensores reduce la recolección de fotones individual de cada uno de los canales. Aun así, la información DOI, así como la excelente resolución espacial, podrían colocar a los sistemas monolíticos TOF-PET en el mercado si se desarrolla una electrónica acorde para dicha configuración. En los resultados de la tesis se reportan valores de CTR de 333 ps usando un tamaño de LFS de 25 mm × 25 mm × 20 mm cubierto de teflón. La misma longitud (20 mm) usando cristal segmentado puede alcanzar valores CTR por debajo de 200 ps FWHM pero sin ninguna información DOI y una resolución espacial limitada (limitada al tamaño del sensor). Usando este tamaño de cristal se puede obtener un DOI de 4 mm y una resolución espacial de 2.2 mm, un factor 3 inferior al tamaño de canal de sensor utilizado, 6 mm x 6 mm.
La última parte de la tesis describe un nuevo entorno de simulación que combina la parte física de los programas GATE/Geant4 y utiliza un simulador eléctrico para calcular la respuesta del sensor y la lectura de la señal sistema. De esta manera podemos optimizar de manera global el sistema TOF-PET desde el centellador, el sensor (tamaño del sensor, tamaño de píxel, área muerta, capacitancia) y la electrónica (impedancia de entrada, ruido, ancho de banda, suma activa). Éste entorno ha permitido simular una nueva configuración donde la segmentación se produce a nivel de sensor en vez de cristal. El objetivo principal de dicha configuración es reducir la capacitancia intrínseca del SiPM segmentando un único canal grande en varias piezas más pequeñas, lo que impacta directamente en el tiempo de subida de la señal y por lo tanto en el tiempo de respuesta del sensor, haciéndolo más rápido. En este sistema se utiliza un circuito sumador específico para sumar el número N de canales en los que se ha subdividido el sensor y obtener así una única señal eléctrica resultante mejorando la resolución temporal en comparación con un único sensor grande. Se obtuvo una mejora del CTR del 15% utilizando la técnica de segmentación aquí mencionado.
Como colofón podemos decir que un sistema TOF-PET que requiere un CTR por debajo de 200 ps (idealmente lo más cercano a 10 ps posible) necesita de una optimización conjunta tanto de los cristales centelladores, la respuesta del sensor y la capacidad de lectura de la señal por parte de la electrónica.
