Performance enhancement of a small animal positron emission tomograph based on continuous crystals and silicon photomultipliers

Resumen

La tomografía por emisión de positrones (PET, por sus siglas en inglés) es una técnica de Medicina Nuclear que permite obtener de manera no invasiva imágenes funcionales “in vivo” marcando un compuesto orgánico con un emisor de positrones. Los tomógrafos PET requieren un alta resolución espacial y sensibilidad para estimar con precisión la distribución del radiotrazador en el animal. Frente a los bloques pixelados comúnmente utilizados en PET, los detectores que consisten en la combinación de cristales continuos acoplados a fotodetectores segmentados pueden ofrecer una mayor eficiencia y una alta resolución espacial. Esta última depende de la precisión de los algoritmos de determinación de la posición de interacción de los fotones en el cristal. Una de las ventajas de los cristales continuos es que la resolución intrínseca ya no está limitada al tamaño del cristal. Por otro lado, a partir de la distribución de la luz de cada evento detectado se puede estimar la profundidad de interacción (DoI, por sus siglas en inglés) reduciendo así los errores de paralaje y mejorando la resolución espacial del sistema. En esta tesis se ha investigado el uso de detectores compuestos por cristales continuos acoplados a fotomultiplicadores de silicio (SiPMs), un tipo de detector segmentado, con el objetivo de aumentar la sensibilidad respecto a los cristales pixelados usados más comúnmente en los escáneres comerciales. Para ello, en primer lugar se ha caracterizado el comportamiento de una cabeza detectora basada en cristales continuos acoplada a SiPMs en el laboratorio para evaluar el comportamiento de este tipo de detector en un sistema de imagen. Debido a que el principal inconveniente del uso de cristales continuos es la determinación de la posición de interacción en el cristal, la caracterización se ha centrado principalmente en estudios del posicionamiento de dicha interacción. El método para la determinación de la posición que se ha investigado en este trabajo, se basa en un modelo analítico para la distribución de la luz que tiene en cuenta las reflexiones en las paredes del cristal. Se ha estudiado en profundidad el modelo analítico y se ha evaluado el comportamiento de dicho modelo cuando no se tienen en cuenta las reflexiones y para diferentes pesos relativos de la influencia de las reflexiones respecto a la de la luz directa que incide en el fotodetector. Para ahondar en el comportamiento del modelo, además de aplicarlo a datos experimentales, se han desarrollado simulaciones de la cabeza detectora que han sido validadas con datos experimentales para estudiar la respuesta del método en distintas situaciones y con geometrías alternativas donde se ha estudiado la influencia de la razón entre el lado del cristal y su grosor (AR, por sus siglas en inglés) en la estimación de la DoI debido a su influencia en el impacto que tienen las reflexiones en la distribución de luz detectada. El modelo original considera reflexiones especulares en las paredes del cristal con el mismo peso para dichas reflexiones que para la luz directa. Los resultados muestran que en el caso de tener reflexiones puramente especulares, incluir este tipo de reflexiones mejora los resultados. Sin embargo, se ha probado que si el comportamiento de las reflexiones no es perfectamente especular, es mejor limitar la influencia de las reflexiones internas o incluso eliminar ese tipo de reflexiones del modelo. Para nuestros datos experimentales tomados con cristales centelleadores pintados de blanco, el modelo que muestra resultados más precisos es aquel que no considera las reflexiones en las paredes del cristal. Utilizando dicho modelo se ha obtenido una resolución media sobre la superficie del detector (centro y bordes) de 0.9 mm FWHM para el cristal de 5 mm de grosor pintado de blanco y de 1.2 mm FWHM para el de 10 mm de grosor pintado de blanco. La resolución de DoI obtenida experimentalmente para ambos cristales ha sido de 2 mm FWHM. La influencia del tamaño del haz no ha sido sustraída de los resultados obtenidos. Cabe decir que los resultados obtenidos para el cristal de 10 mm son muy buenos comparados con los obtenidos por otros sistemas similares incluso teniendo en cuenta el AR desfavorable de nuestro detector. Una vez caracterizada la cabeza detectora y tras obtener buenos resultados en cuanto a la resolución espacial intrínseca. Se ha puesto a prueba su capacidad para producir imágenes mediante un prototipo PET basado en dos cabezas detectoras que rotan en torno a la fuente con el objetivo de adquirir medidas tomográficas, mostrando resultados satisfactorios. Haciendo uso del conocimiento adquirido en la caracterización de la cabeza detectora y basándonos en las simulaciones de la misma validadas a partir de datos experimentales, se han desarrollado simulaciones de un anillo completo. El rendimiento del anillo ha sido caracterizado siguiendo el protocolo estandarizado NEMA. Con el objetivo de aumentar la sensibilidad en la configuración de un anillo completo incrementando la cobertura del ángulo sólido mediante la reducción de los espacios entre detectores contiguos, se ha estudiado la respuesta de un escáner de las mismas dimensiones basado en cristales trapezoidales en vez de en cristales cuboides. Debido a que la sensibilidad es el parámetro que buscamos maximizar mediante el estudio de esta nueva geometría, las diferencias de dicho parámetro entre las dos configuraciones se han evaluado a través de dos figuras de mérito adicionales: un mapa de sensibilidad y la reconstrucción de regiones de actividad homogénea. Para la geometría trapezoidal se ha obtenido un aumento en la sensibilidad media sobre el campo de visión axial del 13.63% mientras que los resultados en resolución espacial muestran valores equivalentes para ambas configuraciones. Los estudios de las tasas de cuentas muestran una mejor respuesta para el escáner basado en cristales trapezoidales donde la actividad a la cual ocurre el pico tanto del NECR como de la tasa de cuentas verdaderas es menor y el valor de la tasa de cuentas del pico es mayor que para el escáner basado en cristales cuboides. Además, se ha mostrado un mayor grado de homogeneidad en el mapa de sensibilidad y una reconstrucción más uniforme de zonas de actividad homogéneas debido a la reducción de los huecos entre detectores contiguos con el uso de cristales trapezoidales. En resumen, en esta tesis se ha desarrollado una cabeza detectora de alta resolución espacial basada en cristales continuos acoplados a SiPMs en la que se ha empleado para la determinación de la posición un método basado en un modelo analítico de la distribución de luz en el cristal. La respuesta de la cabeza detectora se ha puesto a prueba con resultados satisfactorios en un prototipo preliminar PET basado en dos cabezas detectoras que rotan en torno al objeto de estudio para tomar medidas tomográficas. Con el objetivo de aumentar la sensibilidad en la configuración de un anillo completo, se ha estudiado mediante simulaciones la respuesta de un escáner basado en cristales trapezoidales y se ha comparado con la respuesta de un escáner basado en cristales cuboides de las mismas dimensiones. Los resultados han mostrado un aumento significativo de la sensibilidad y una recuperación más uniforme de regiones homogéneas debido a una disposición más compacta de las cabezas detectoras para el caso del escáner basado en cristales trapezoidales. Por otro lado, se han obtenido valores de resolución espacial equivalentes para ambas configuraciones siguiendo el protocolo estandarizado NEMA.