Caracterización, mejora y diseño de escáneres PET preclínicos

Zusammenfassung

El objetivo principal de esta tesis es contribuir a la mejora de la calidad de las imágenes de tomografía por emisión de positrones (PET) para la investigación preclínica con animales pequeños mediante el uso de simulaciones Monte Carlo, ya sea para el estudio de los problemas limitantes de la técnica en los escáneres existentes proporcionando métodos para compensarlos, ya sea para orientar el diseño de nuevos prototipos, analizando las ventajas y desventajas antes de tomar una decisión final. Los objetivos específicos son los siguientes: 1. Evaluar el rendimiento de los sistemas PET preclínicos disponibles en el Laboratorio de Imagen Médica, siguiendo, en la medida de lo posible, una metodología estándar para comparar los sistemas entre sí y con otros sistemas comerciales en las mismas condiciones [Vicente et al., 2006 , Goertzen et al., 2012, Vicente et al., 2010a]. 2. Estudiar las fuentes de error que limitan la calidad de las imágenes reconstruidas usando simulaciones Monte Carlo para investigar nuevos métodos y algoritmos para compensarlos [Vicente et al., 2012a, Abella et al., 2012, Vicente et al., 2010b]. 3. Utilizar simulaciones Monte Carlo para guiar el diseño de nuevos prototipos, realizando las modificaciones necesarias en el paquete de Monte Carlo empleado (peneloPET, [España et al., 2009]) y en los métodos de reconstrucción existentes (como GFIRST [Herraiz et al., 2011]) para adaptar los códigos existentes a la geometría no convencional de los nuevos diseños [Vicente et al., 2012b]. Todos los algoritmos desarrollados en el contexto de esta tesis no son exclusivos para un escáner en particular, sino que han sido diseñados para ser flexibles y fácilmente adaptables a diferentes arquitecturas que cumplan con ciertas condiciones en cada caso. Sin embargo, dado que este trabajo se beneficia del acceso a datos reales adquiridos por los escáneres disponibles en el Laboratorio de Imagen Médica, el desarrollo de los diferentes métodos se adaptan a la geometría particular de estos sistemas ([Wang et al., 2006b, Vaquero et al., 2005a]). Como consideración final, decir que una parte significativa de los resultados presentados en esta tesis, además de dar lugar a publicaciones científicas, se pretende que sean incorporados en el software de escáneres preclínicos de alta resolución fabricados por SEDECAL y distribuidos por todo el mundo en virtud de acuerdos de transferencia de tecnología con el Laboratorio de Imagen Médica y el Grupo de Física Nuclear (GFN). [ABSTRACT]The main goal of this thesis is to contribute to the improvement of the quality of positron emission tomography (PET) images for preclinical research with small animals by intensive use of Monte Carlo simulations, either for studying limiting problems in existing scanners providing methods to compensate them, either for guiding in the design of new prototypes, analyzing advantages and drawbacks before taking the final decision. Specific objectives are as follows: 1. To evaluate the performance of two of the small-animal PET systems available at the Medical Imaging Laboratory, following, as far as possible, a standard methodology in order to compare systems between them and with other commercial preclinical systems under similar conditions [Vicente et al., 2006 , Goertzen et al., 2012, Vicente et al., 2010a]. 2. To study the sources of error that limit the quality of reconstructed PET images using Monte Carlo simulations and to investigate new methods and algorithms to compensate for these errors [Vicente et al., 2011, Vicente et al., 2012a, Abella et al., 2012, Vicente et al., 2010b]. 3. To use Monte Carlo simulations for the design of new prototypes, performing the necessary modifications in the Monte Carlo package employed (peneloPET, [España et al., 2009]) and in the available reconstruction methods (as GFIRST [Herraiz et al., 2011]) in order to make them suitable to the non-conventional geometries of the new designs [Vicente et al., 2012b]. The algorithms developed in this thesis are not exclusive of any scanner in particular; they have been designed to be flexible and suitable for different architectures with only a few common constrains. However, since this work takes advantage of the access to real data collected by the specific systems available at the Medical Imaging Laboratory, the development and testing of the different methods were adapted to the particular geometry of these systems ([Wang et al., 2006b, Vaquero et al., 2005a]). As a final consideration, it is worth mentioning that significant part of the results presented in this thesis, besides giving rise to scientific publications, are intended to be incorporated into the preclinical high-resolution systems manufactured by SEDECAL and distributed worldwide under technology transfer agreements with the Medical Imaging Laboratory and the Nuclear Physics Group.