High-performance data acquisition for high-resolution dedicated tof-pet systems

Resumen

Las técnicas de alta resolución (HR) y de tiempo de vuelo (TOF) en la tomografía por emisión positrones (PET) mejoran el rendimiento de los actuales sistemas PET para proporcionar imágenes de los sutiles procesos moleculares que tienen lugar dentro del cuerpo humano. Gracias a su prestación de TOF, la calidad de las imágenes reconstruidas en un sistema HR TOF-PET mejora con respecto a los sistemas PET sin TOF. Adicionalmente, los nuevos sistemas HR TOF-PET proporcionan HR en tres aspectos: tiempo, energía y espacio. Cuanto mas precisa es la información de la energía y el tiempo de los eventos gamma, el nivel de ruido en la imagen reconstruida se reduce mediante una precisa selección de los eventos gamma. Además, una información espacial concisa permite la detección de pequeñas concentraciones del trazador. En oncología, actualmente la principal aplicación de los escáneres PET, los sistemas HR TOF-PET serán capaces de localizar tumores milimétricos y por lo tanto mejorar en gran medida la detección temprana de cáncer. Los sistemas HR TOF-PET tan solo han estado disponibles recientemente gracias a los últimos avances en las diversas tecnologías de instrumentación que conforman un detector PET. En este escenario, el proyecto EndoTOFPET-US fue creado con el objetivo de desarrollar un escáner HR TOF-PET endoscópico para proporcionar diagnósticos tempranos para cáncer de páncreas y próstata. La presente tesis se concentra en el diseño y desarrollo de un sistema de adquisición de datos (DAQ) de alto rendimiento para su aplicación en escáneres HR TOF-PET, como el EndoTOFPET-US. Las propiedades de HR en tiempo, energía, y espacio, de los escáneres HR TOF-PET conllevan importantes implicaciones en el diseño de su sistema DAQ: alta integración de canales, elevado volumen de datos, y el requisito de un procesamiento de datos eficiente. Por lo tanto, la tesis propone una arquitectura de DAQ adaptada a estas características, detalla las técnicas de procesamiento en línea que han sido implementadas, y muestra los resultados obtenidos haciendo uso del resultante sistema DAQ. El resultado de este trabajo es un sistema DAQ para HR TOF-PET flexible y de alto rendimiento, el cual puede ser aplicado no solo en el escáner EndoTOFPET-US, sino también en muchos sistemas HR TOF-PET con diferentes geometrías construidos siguiendo un esquema de montaje modular de elementos del sistema DAQ propuesto y sus módulos detectores. Para el control y lectura del detector desde el servidor DAQ, un protocolo de comunicaciones de bajo nivel se ha implementado, el cual reduce el numero conexiones físicas, optimiza la integridad de los datos, y acelera el procesamiento de datos del sistema DAQ. Adicionalmente, dos técnicas de procesamiento en línea para la lectura de eventos gamma se han implementado de acuerdo a las necesidades del sistema observadas: un módulo de “front-end” de discriminación de energía y un módulo de ordenación temporal. El filtro de energía reduce las necesidades de ancho de bandea del sistema y mejora la calidad final de la imagen mediante el rechazo de los eventos gamma detectados que contribuyan a un incremento del nivel de ruido en la imagen. Por otro lado, el módulo de ordenación temporal reduce los requisitos de memoria en la electrónica digital del sistema gracias a la implementación de una novedosa estrategia de almacenamiento de eventos gamma en memoria que tiene en cuenta la física del proceso de detección de fotones gamma en el escenario de un sistema HR TOF-PET. A la vista de los resultados expuestos en el presente documento, se demuestra cómo el sistema DAQ propuesto es capaz de controlar y leer los dispositivos de instrumentación en sistemas HR TOF-PET mientras descarta sobre la marcha datos no deseados. Por lo tanto, se espera que los aportes de esta tesis a los sistemas DAQ para HR TOF-PET, aplicados al escáner EndoTOFPET-US, contribuyan a llevar a cabo los ensayos preclínicos del primer sistema HR TOF-PET endoscópico.