Design and implementation of pet detectors based on monolithic crystals and sipms

Resumen

Esta tesis doctoral se centra tanto en el diseño como en la validación experimental de detectores de rayos gamma para escáneres de tomografía por emisión de positrones (PET, del inglés Positron Emission Tomography). El objetivo principal de esta tesis es el diseño de innovadores bloques detectores PET de alto rendimiento. La técnica PET constituye una de las principales herramientas diagnósticas en medicina nuclear, que es una especialidad médica que utiliza sustancias radiactivas con fines diagnósticos y terapéuticos. Esta técnica de imagen médica permite visualizar procesos fisiológicos y bioquímicos del cuerpo humano in vivo, mediante la administración del elemento radiotrazador. Los radiotrazadores son compuestos químicos, similares a las sustancias naturales del cuerpo, en las que uno o más átomos son sustituidos por radionúclidos emisores de fotones, para su uso en gamma cámaras y SPECT, o de positrones (la antipartícula del electrón) para PET. En el primer capítulo de la tesis se introducen las principales técnicas de imagen médicas utilizadas en la actualidad, incluyendo las técnicas de imagen funcional, de imagen anatómica y su fusión para dar lugar a imágenes multimodales. En el segundo capítulo, dado que la técnica PET es el foco de estudio central de la tesis, se describe en detalle su historia mostrando los avances de los últimos 60 años, hasta establecerse en la actualidad como una herramienta diagnóstica imprescindible en medicina. En este capítulo se describen también los principios físicos de la técnica, los algoritmos de reconstrucción y las correcciones de imagen que se emplean. Así mismo el capítulo describe el papel fundamental del tiempo de vuelo de los fotones producidos en la aniquilación del positrón y el electrón, y de la coordenada de profundidad de interacción (DOI, del inglés Depth of Interaction). A continuación, en el tercer capítulo, se describen con detalle los materiales y métodos empleados en PET, haciendo especial énfasis en aquellos utilizados para el desarrollo de esta tesis. En la actualidad, la mayoría de sistemas PET comerciales están constituidos por bloques detectores basados en cristales centelleadores pixelados (matrices de pequeños cristales). Dichos cristales permiten estimar las coordenadas (x, y) del impacto del fotón de manera sencilla, sin embargo, la obtención de la coordenada de profundidad de interacción (z), imprescindible para obtener una buena resolución espacial sobretodo en los bordes del campo de visión del escáner, resulta una tarea difícil que requiere el uso de materiales adicionales y por tanto incrementan el precio del escáner. Una alternativa a la configuración anterior, es el uso de cristales monolíticos o continuos los cuales están constituidos por una única pieza de material centelleador que permite “observar” la distribución de fotones ópticos generada. Esta información es utilizada para obtener con precisión las coordenadas 3D de impacto del fotón (x, y, z) en el cristal sin necesidad de otros materiales. Por este motivo, en esta tesis doctoral se ha llevado a cabo el diseño de detectores basados en estos cristales monolíticos acoplados a fotosensores de estado sólido compatibles con equipos de resonancia magnética. En este capítulo se muestran los resultados obtenidos en la caracterización de diferentes tipos de cristales, geometrías y tratamientos aplicados a la superficie de los bloques detectores. Finalmente se presenta una breve descripción de los equipos que han motivado los estudios realizados en la tesis. Dado que el formato de esta tesis esta basado en un compendio de los artículos más relevantes publicados durante el transcurso de los estudios de doctorado, el cuarto capítulo incluye una copia de los artículos publicados más relevantes tal y como se muestran en las revistas científicas. Se presentan un total de 6 artículos que recogen los principales resultados obtenidos durante los estudios de doctorado. Dada la calidad de los resultados globales obtenidos, dos de los bloques detectores diseñados constituyen la base de dos sistemas PET dedicados al estudio del cerebro humano, el inserto MINDView (proyecto europeo FP7) y el escáner CareMiBrain (proyecto europeo Horizont 2020). El equipo MINDView, que es un inserto compatible con todas las resonancias magnéticas del mundo, ha sido instalado en el hospital de la Universidad Técnica de Múnich y actualmente está en la fase previa a comenzar un estudio con pacientes. En la tesis se recogen las pruebas de validación realizadas tanto a nivel del bloque detector como del equipo final. Respecto al equipo CareMiBrain, que es un escáner PET dedicado al estudio del Alzheimer y de otras enfermedades de deterioro cognitivo, ha sido instalado en Madrid y los primeros pacientes ya han sido escaneados satisfactoriamente. En la tesis se recoge el diseño y los resultados de caracterización del bloque detector. Además del diseño y caracterización de dichos bloques detectores, se muestran también los resultados y conclusiones obtenidas en otros estudios de investigación, tales como la caracterización de una gran variedad de geometrías de detectores, la optimización de la extracción de la luz en cristales BGO (fueron pioneros en los equipos PET pero se sustituyeron por los nuevos cristales que son más rápidos), tanto en forma pixelada como en bloques monolíticos, y un enfoque de detector híbrido que utiliza capas monolíticas y pixeladas en un mismo bloque detector. Se ha prestado especial atención a la caracterización y determinación de la DOI dentro de los bloques monolíticos, reduciendo el error de paralaje en la imagen final reconstruida. El quinto capítulo contiene un resumen y conclusiones de los resultados de esta tesis. El sexto y séptimo capítulo, contienen un resumen en castellano y valenciano respectivamente, de los objetivos, motivación, materiales, métodos, resultados y conclusiones de la tesis doctoral. Finalmente, el Apéndice A muestra una lista completa de los artículos científicos publicados durante la tesis (incluyendo los seleccionados para el compendio).