Bloque detector pet basado en cristales monolíticos y fotomultiplicadores de silicio

Resumen

La tomografía por emisión de positrones (PET) es una técnica de imagen médica, encuadrada en la medicina nuclear, consistente en la generación de imágenes a partir de la detección de radiación gamma resultante de la aniquilación de positrones, emitidos por un radiotrazador, con los electrones de tejidos circundantes. Las imágenes PET son de tipo funcional, lo que permite la observación y estudio de procesos fisiológicos, sin embargo, se ha probado que la integración de estos escáneres con otros sistemas de imagen médica que proporcionen imágenes de carácter anatómico mejora notablemente las prestaciones clínicas de ambos equipos. Este tipo de equipos multimodales se conocen como sistemas híbridos y, en esta dirección, la integración de tomógrafos PET con equipos de resonancia magnética es un campo activo de investigación cuyos beneficios, algunos potenciales y otros ya verificados, son de gran consideración en el ámbito médico. Asimismo, la mejora en la resolución espacial de los tomógrafos PET, con el objetivo de alcanzar resoluciones submilimétricas en las imágenes reconstruidas, conforma gran parte de la investigación actual entorno a estos sistemas. Partiendo de estas motivaciones, se ha estudiado el diseño de varios bloques detectores, definiendo como bloque detector al conjunto mínimo de elementos necesarios para la detección de radiación gamma y con capacidad de posicionamiento tridimensional de la misma, tomando como restricciones fundamentales la insensibilidad del detector a campos magnéticos, posibilitando su integración en equipos de resonancia magnética y circunscrito a un coste reducido además de ser operativo a temperaturas próximas a las existentes en el entorno clínico o preclínico. Con este fin se ha realizado un análisis exhaustivo de los procesos físicos y electrónicos involucrados en la detección de radiación gamma, obteniendo un marco teórico para el posterior desarrollo de algoritmos de posicionamiento de las interacciones de la radiación en el detector de alta resolución espacial. Teniendo en cuenta estas consideraciones se han investigado un conjunto de tres candidatos de bloque detector, todos ellos basados en un centelleador del tipo LYSO como detector de radiación ionizante y fotodetectores de silicio (SiPMs) para la detección de la luz de centelleo. Dos candidatos se han diseñado con SiPMs analógicos, basados en dos configuraciones electrónicas de front-end diferentes. La primera versión se ha diseñado mediante una pseudored de resistencias programable integrada en un ASIC y la segunda versión basada en una red de resistencias que proporciona las proyecciones cartesianas de la luz detectada en el plano de fotodetección. Finalmente, el último candidato se ha diseñado usando SiPMs digitales (dSiPMs). La resolución energética de estos bloques detectores ha variado entre el 30 % hasta valores de 17 %, en función de la cantidad de luz detectada y las cuentas oscuras de los fotodetectores empleados. El bloque detector cuya lectura se ha realizado mediante ASICs ha permitido, a través del control digital de sus coeficientes, calibrar diferencias de ganancia de cada SiPM a la vez que ha permitido establecer combinaciones lineales de las distribuciones de luz producidas en el centelleador, sin embargo todos estos procedimientos, al realizarse antes de la digitalización, son de carácter destructivo, lo que ha impedido la aplicación de algoritmos complejos. El bloque detector basado en dSiPMs, por su parte, al proporcionar información de cada uno de sus pixeles ha permitido el uso de todos los algoritmos de posicionamiento desarrollados, sin embargo la elevada presencia de tiempo muerto de este bloque detector ha obligado a tiempos largos de adquisición. Los bloques detectores basados en SiPMs analógicos y con lectura de sus respectivas filas y columnas han permitido usar, como en el caso anterior, todos los algoritmos de posicionamiento desarrollados al digitalizar las proyecciones unidimensionales de la distribución de luz de cada evento siendo, en definitiva, la solución óptima de bloque detector. Los resultados obtenidos de los algoritmos implementados han demostrado la capacidad de estos bloques detectores de alcanzar un resolución espacial intrínseca, en algunos casos, por debajo del milímetro. Asimismo, es posible observar una resolución en el eje z, es decir de la profundidad de interacción (DOI) milimétrica. Dichos algoritmos comprenden el uso de los momentos estadísticos de la distribución de luz digitalizada, una versión del primer momento estadístico basados en elevar la distribución de luz a una potencia predefinida (RTP), ajustes no lineales por mínimos cuadrados a la distribución teórica y ajustes a la distribución mediante redes neuronales artificiales.