Positron range and prompt gamma modeling in PET imaging

Resumen

La Tomografía por Emisión de Positrones (PET, de sus siglas en inglés: Positron Emission Tomography) es una técnica de Medicina Nuclear no invasiva que permite la visualización in vivo de múltiples fenómenos biológicos y bioquímicos. Gracias a que la PET es capaz de visualizar estos procesos a un nivel molecular, se puede usar en múltiples aplicaciones, entre las que cabe destacar el diagnóstico y seguimiento del paciente, la investigación farmacológica, el estudio de enfermedades humanas en modelos de laboratorio y la caracterización de la expresión genética. Desde el desarrollo de los primeros escáneres PET, la tomografía por emisión de positrones se ha establecido como una técnica de uso rutinario en oncología, cardiología y neurología. Por otro lado, con la extensión de esta técnica a la investigación preclínica, se han desarrollado escáneres PET para pequeños animales, como por ejemplo ratones y ratas, con una resolución espacial muy alta, del orden del milímetro.Durante las últimas décadas se han propuesto varios radioisótopos de interés para imagen PET, como por ejemplo, 68Ga, 82Rb, 124I, 94mTc, 76Br y 86Y, y se han desarrollado una gran cantidad de radiofármacos basados en estos radioisótopos. La calidad de imagen alcanzable con estos radionúclidos se ve afectada principalmente por dos factores: el rango del positrón, que es un factor limitante a la resolución espacial alcanzable por el sistema, y la emisión de fotones gamma adicionales a los positrones emitidos por el núcleo, que dan lugar a un mayor número de coincidencias no deseadas y que empeora la cuantificación en la imagen. En este trabajo de tesis se ha estudiado, mediante simulaciones Monte Carlo, el efecto del rango del positrón y de las emisiones gamma adicionales en la calidad de imagen alcanzable en sistemas PET de pequeños animales. También hemos implementado varios métodos para corregir estos efectos durante el proceso de reconstrucción de la imagen. Otro estudio hemos llevado a cabo es la implementación y evaluación de un método de mejora de cuantificación PET en pequeños volúmenes de interés. Por último, hemos incluido en nuestra herramienta de simulación la posibilidad de simular y analizar coincidencias triples en PET, y estudiar la cantidad de este tipo de coincidencias en varias situaciones de interés, tanto en escáneres preclínicos como clínicos.En resumen, en esta tesis se muestra como el uso de simulaciones Monte Carlo realistas nos puede guiar para modelar y corregir los parámetros que afectan de un modo más significativo a la calidad de imagen cuando se usan radioisótopos no convencionales en PET, permitiendo la obtención de imágenes de calidad incluso cuando se usan emisores cuyas propiedades no son óptimas para PET (alta energía de emisión de los positrones, emisión de fotones gamma adicionales, etc.).Abstract; Positron Emission Tomography (PET) is a molecular imaging technique that provides a 3D image of functional processes in the body in-vivo. Several new radionuclides and radiotracers have been proposed during the last years for PET imaging. Two challenges arise with the use of these radionuclides: their large positron range, which compromises the achievable spatial resolution of the system, and the emission of gamma rays in coincidence with positrons, which complicates quantitative PET imaging. In this thesis we tried to model, by using the Monte Carlo simulation tool developed by our group, the effect of positron range and prompt emissions in PET image quality. Later, we have used this modeling to correct PET images for these effects. Further, a method for improving the quantification of PET images was also implemented and evaluated. Finally, we modified our simulation tool in order to simulate and analyze triple coincidences in PET, as they have interesting potential applications in preclinical and clinical PET imaging.