Design and implementation of PET detectors based on monolithic crystals and SiPMs

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).This doctoral thesis focuses on both the design and experimental validation of gamma-ray detectors suitable for Positron Emission Tomography (PET) scanners. The main objective is the design of high efficiency PET detector blocks. The PET technique constitutes one of the main diagnostic tools in Nuclear Medicine, which is a medical specialty that uses radioactive substances for diagnostic and therapeutic purposes. This Medical Imaging technique allows one to visualize physiological and biochemical processes of the human body in vivo, by means of the administration of a radiotracer element. Radiotracers are chemical compounds, similar to the body's natural substances, in which one or more atoms are replaced by radionuclides that emit photons, for use in gamma and SPECT cameras, or positrons (the antiparticle of the electron) for PET. The first chapter of the thesis introduces the main Medical Imaging techniques that are currently used, including functional and anatomical imaging as well as their possible merging generating multimodal images. In the second chapter, since PET imaging is the focus of this thesis, an extensive description of this technique is outlined. The chapter begins with a brief history of PET, showing the advances over the last 60 years until being established as an essential diagnostic tool in medicine. This chapter also describes the physical principles of PET, the reconstruction algorithms and the applied image corrections techniques. In addition to the basic concepts, the role of Time of Flight (TOF) and DOI in PET are described in this chapter. The third chapter describes in detail the materials and methods used in PET, making special emphasis on those used for the development of this work. Currently, most commercial PET systems consist of detector blocks based on pixelated scintillation crystals (matrices of small crystals). These crystals allow one for an easy estimation of the planar impact coordinates of the gamma-ray within the crystal (x, y). However, estimating the depth of interaction coordinate (z), which is essential to obtain a good spatial resolution especially at the edges of the field of view of the scanner, is a difficult task that requires the use of extra materials and therefore increases the price of the scanner. An alternative to that configuration is the use of monolithic crystals, which are constituted by a single piece of scintillating material that permits to characterize the complete, flashing light distribution. This information is used to obtain the 3D impact coordinates of the photon (x, y, z) within the crystal with high resolution and without the need for extra materials. For this reason, this doctoral thesis focusses on the design of PET detector blocks based on monolithic crystals coupled to solid state photosensors. These components are compatible with magnetic fields and therefore, suitable for their simultaneous use with Magnetic Resonance Imaging (MRI) systems. This chapter summarizes the results obtained in the characterization of different types of crystals, geometries and treatments applied to the crystal surface of the detector blocks. Finally, a brief description of the PET systems that have motivated the studies carried out in the thesis is presented. Since this thesis is based on a compendium of the most relevant articles published during the course of the PhD studies, Chapter 4 presents a copy of those research articles, as exactly shown in the different per-reviewed journals, including a brief introduction highlighting their main results. A total of 6 articles are presented, which contain the main results obtained during the doctoral studies. Given the quality of the overall obtained results, two of the designed detector blocks have been selected as the basis of two PET systems dedicated to the study of the human brain namely, i) the MINDView insert (European Union FP7 project) and, ii) the CareMiBrain stand-alone scanner (European Union project Horizon 2020). The MINDView system, which is a PET insert compatible with MRI scanners, has been installed at Technical University of Munich and is currently starting scanning patients with depression and schizophrenia. The thesis includes the validation tests carried out at the level of the detector block and of the final equipment. The CareMiBrain system, which is a PET scanner dedicated to the study of the Alzheimer disease and other causes of cognitive decline, has been installed in a hospital in Madrid and the first patients have already been successfully scanned. The thesis contains the design and results of characterization of the CareMiBrain detector block. In addition to the design and characterization of those detector blocks, other research studies have been carried out during the course of this thesis, such as the characterization of a large variety of photosensor geometries, the optimization of light extraction in BGO crystals, both in pixelated and monolithic geometries, and a hybrid detector approach that uses monolithic and pixellated layers in the same detector block. Special emphasis has been given to the characterization and estimation of the DOI coordinate within monolithic blocks, reducing the parallax error in the reconstructed final image. Chapter 5 contains a summary of the results and conclusions of this thesis. Chapters 6 and 7 summarize, in Spanish and Valencian, respectively, the objectives, motivation, materials, methods, results and conclusions of this doctoral thesis. A complete list of all the per-reviewed articles (including those selected for this compendium) and the conference proceedings published during the development of this thesis can be found in Appendix A

Molecular Imaging

The present book gives an exceptional overview of molecular imaging. Practical approach represents the red thread through the whole book, covering at the same time detailed background information that goes very deep into molecular as well as cellular level. Ideas how molecular imaging will develop in the near future present a special delicacy. This should be of special interest as the contributors are members of leading research groups from all over the world