Application of novel technologies for the development of next generation MR compatible PET inserts

Multimodal imaging integrating Positron Emission Tomography and Magnetic Resonance Imaging (PET/MRI) has professed advantages as compared to other available combinations, allowing both functional and structural information to be acquired with very high precision and repeatability. However, it has yet to be adopted as the standard for experimental and clinical applications, due to a variety of reasons mainly related to system cost and flexibility. A hopeful existing approach of silicon photodetector-based MR compatible PET inserts comprised by very thin PET devices that can be inserted in the MRI bore, has been pioneered, without disrupting the market as expected. Technological solutions that exist and can make this type of inserts lighter, cost-effective and more adaptable to the application need to be researched further. In this context, we expand the study of sub-surface laser engraving (SSLE) for scintillators used for PET. Through acquiring, measuring and calibrating the use of a SSLE setting we study the effect of different engraving configurations on detection characteristics of the scintillation light by the photosensors. We demonstrate that apart from cost-effectiveness and ease of application, SSLE treated scintillators have similar spatial resolution and superior sensitivity and packing fraction as compared to standard pixelated arrays, allowing for shorter crystals to be used. Flexibility of design is benchmarked and adoption of honeycomb architecture due to geometrical advantages is proposed. Furthermore, a variety of depth-of-interaction (DoI) designs are engraved and studied, greatly enhancing applicability in small field-of-view tomographs, such as the intended inserts. To adapt to this need, a novel approach for multi-layer DoI characterization has been developed and is demonstrated. Apart from crystal treatment, considerations on signal transmission and processing are addressed. A double time-over-threshold (ToT) method is proposed, using the statistics of noise in order to enhance precision. This method is tested and linearity results demonstrate applicability for multiplexed readout designs. A study on analog optical wireless communication (aOWC) techniques is also performed and proof of concept results presented. Finally, a ToT readout firmware architecture, intended for low-cost FPGAs, has been developed and is described. By addressing the potential development, applicability and merits of a range of transdisciplinary solutions, we demonstrate that with these techniques it is possible to construct lighter, smaller, lower consumption, cost-effective MRI compatible PET inserts. Those designs can make PET/MRI multimodality the dominant clinical and experimental imaging approach, enhancing researcher and physician insight to the mysteries of life.La combinación multimodal de Tomografía por Emisión de Positrones con la Imagen de Resonancia Magnética (PET/MRI, de sus siglas en inglés) tiene clara ventajas en comparación con otras técnicas multimodales actualmente disponibles, dada su capacidad para registrar información funcional e información estructural con mucha precisión y repetibilidad. Sin embargo, esta técnica no acaba de penetrar en la práctica clínica debido en gran parte a alto coste. Las investigaciones que persiguen mejorar el desarrollo de insertos de PET basados en fotodetectores de silicio y compatibles con MRI, aunque han sido intensas y han generado soluciones ingeniosas, todavía no han conseguido encontrar las soluciones que necesita la industria. Sin embargo, existen opciones todavía sin explorar que podrían ayudar a evolucionar este tipo de insertos consiguiendo dispositivos más ligeros, baratos y con mejores prestaciones. Esta tesis profundiza en el estudio de grabación sub-superficie con láser (SSLE) para el diseño de los cristales centelladores usados en los sistemas PET. Para ello hemos caracterizado, medido y calibrado un procedimiento SSLE, y a continuación hemos estudiado el efecto que tienen sobre las especificaciones del detector las diferentes configuraciones del grabado. Demostramos que además de la rentabilidad y facilidad de uso de esta técnica, los centelladores SSLE tienen resolución espacial equivalente y sensibilidad y fracción de empaquetamiento superiores a las matrices de centelleo convencionales, lo que posibilita utilizar cristales más cortos para conseguir la misma sensibilidad. Estos diseños también permiten medir la profundidad de la interacción (DoI), lo que facilita el uso de estos diseños en tomógrafos de radio pequeño, como pueden ser los sistemas preclínicos, los dedicados (cabeza o mama) o los insertos para MRI. Además de trabajar en el tratamiento de cristal de centelleo, hemos considerado nuevas aproximaciones al procesamiento y transmisión de la señal. Proponemos un método innovador de doble medida de tiempo sobre el umbral (ToT) que integra una evaluación de la estadística del ruido con el propósito de mejorar la precisión. El método se ha validado y los resultados demuestran su viabilidad de uso incluso en conjuntos de señales multiplexadas. Un estudio de las técnicas de comunicación óptica analógica e inalámbrica (aOWC) ha permitido el desarrollo de una nueva propuesta para comunicar las señales del detector PET insertado en el gantry a un el procesador de señal externo, técnica que se ha validado en un demostrador. Finalmente, se ha propuesto y demostrado una nueva arquitectura de análisis de señal ToT implementada en firmware en FPGAs de bajo coste. La concepción y desarrollo de estas ideas, así como la evaluación de los méritos de las diferentes soluciones propuestas, demuestran que con estas técnicas es posible construir insertos de PET compatibles con sistemas MRI, que serán más ligeros y compactos, con un reducido consumo y menor coste. De esta forma se contribuye a que la técnica multimodal PET/MRI pueda penetrar en la clínica, mejorando la comprensión que médicos e investigadores puedan alcanzar en su estudio de los misterios de la vida.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Andrés Santos Lleó.- Secretario: Luis Hernández Corporales.- Vocal: Giancarlo Sportell

Desenvolvimento de câmaras gama de alta resolução baseadas em foto-sensores de silício

Doutoramento em Engenharia FísicaThe development of a compact gamma camera with high spatial resolution is of great interest in Nuclear Medicine as a means to increase the sensitivity of scintigraphy exams and thus allow the early detection of small tumours. Following the introduction of the wavelength-shifting fibre (WSF) gamma camera by Soares et al. and evolution of photodiodes into highly sensitive silicon photomultipliers (SiPMs), this thesis explores the development of a WSF gamma camera using SiPMs to obtain the position information of scintillation events in a continuous CsI(Na) crystal. The design is highly flexible, allowing the coverage of different areas and the development of compact cameras, with very small dead areas at the edges. After initial studies which confirmed the feasibility of applying SiPMs, a prototype with 5 5 cm2 was assembled and tested at room temperature, in an active field-of-view of 10 10 mm2. Calibration and characterisation of intrinsic properties of this prototype were done using 57Co, while extrinsic measurements were performed using a high-resolution parallel-hole collimator and 99mTc. In addition, a small mouse injected with a radiopharmaceutical was imaged with the developed prototype. Results confirm the great potential of SiPMs when applied in a WSF gamma camera, achieving spatial resolution performance superior to the traditional Anger camera. Furthermore, performance can be improved by an optimisation of experimental conditions, in order to minimise and control the undesirable effects of thermal noise and non-uniformity of response of multiple SiPMs. The development and partial characterisation of a larger SiPM WSF gamma camera with 10 10 cm2 for clinical application are also presented.O desenvolvimento de uma câmara gama compacta com alta resolução espacial é de grande interesse em Medicina Nuclear, como meio de aumentar a sensibilidade dos exames de cintigrafia e assim permitir a deteção precoce de pequenos tumores. Na sequência da introdução da câmara gama com fibras óticas por Soares et al. e da evolução dos fotodiodos para fotomultiplicadores de silício (SiPMs) altamente sensíveis, esta tese explora o desenvolvimento de uma câmara gama com fibras óticas usando SiPMs para obter a informação da posição dos eventos de cintilação num cristal de CsI(Na) contínuo. O design é altamente flexível permitindo cobrir diferentes áreas e desenvolver câmaras compactas, com muito pouca área morta na periferia. Após testes iniciais que confirmaram a viabilidade da aplicação dos SiPMs, um protótipo com 5 5 cm2 foi montado e testado à temperatura ambiente, num campo de visão ativo de 10 10 mm2. A calibração e caracterização de propriedades intrínsecas deste protótipo foram efetuadas utilizando 57Co, enquanto que medições extrínsecas foram realizadas com um colimador de buracos paralelos de alta resolução e 99mTc. Adicionalmente, o protótipo desenvolvido foi usado para produzir a imagem de um ratinho injetado com um radiofármaco. Os resultados confirmam o grande potencial dos SiPMs quando aplicados numa câmara gama com fibras óticas, atingindo uma performance em resolução espacial superior à da câmara Anger tradicional. Além disso, a performance pode ser melhorada por uma otimização das condições experimentais, no sentido de minimizar e controlar os efeitos indesejáveis do ruído térmico e da não-uniformidade de resposta de múltiplos SiPMs. O desenvolvimento e caracterização parcial de uma câmara com 10 10 cm2 para aplicação clínica são também apresentados

Conception d'un système d'acquisition pour la tomographie optique diffuse à mesures dans le domaine temporel

La tomographie optique diffuse (TOD) est une méthode d'imagerie médicale émergente permettant de faire l'acquisition des coefficients d'absorption et de diffusion, de même que la détection d'inclusions fluorescentes ou bioluminescentes à l'intérieur d'un sujet. Ce type d'imagerie vise de nombreuses applications, dont la mammographie optique, l'imagerie cérébrale fonctionnelle et l'imagerie sur petits animaux pour la recherche préclinique. La TOD utilise la lumière laser rouge et proche infrarouge pour illuminer le sujet à l'étude. Les photons diffus ressortant du sujet sont ensuite captés par des détecteurs tout autour de l'animal. L'acquisition de données en TOD peut être réalisée dans trois régimes d'opération, soit le régime continu, les mesures dans le domaine fréquentiel et les mesures dans le domaine temporel. Ce dernier régime permet l'obtention d'information beaucoup plus riche que les autres régimes, et est donc le sujet d'intérêt du présent mémoire. Depuis plusieurs années, le laboratoire TomOptUS développe l'instrumentation nécessaire aux systèmes de TOD à mesures dans le domaine temporel (TOD-DT) pour l'imagerie moléculaire in vivo sur petits animaux. Des travaux récents ont mené à la réalisation d'un scanner TOD-DT sans contact et à angles de vue multiples, de même qu'au développement des algorithmes de reconstruction d'image. Le scanner actuel ne permet toutefois pas l'imagerie de sujets vivants, le temps d'acquisition étant trop long pour garder un animal sous anesthésie. Pour améliorer significativement la sensibilité, le nombre de canaux de détection autour du sujet doit être augmenté afin d'éviter le balayage mécanique de multiples positions de détecteurs. Le système actuel a toutefois atteint son plein potentiel, ses possibilités d'expansion étant limitées par le système d'acquisition de données. Les travaux de recherche du présent mémoire portent sur la conception de l'électronique d'un système d'acquisition spécialement conçu pour la TOD-DT et pour l'intégration d'un plus grand nombre de canaux (64 et plus) dans l'anneau de détection. Ce système propose une architecture à canaux multiples extensible permettant de combiner plusieurs canaux dans un seul système d'acquisition. Son système électronique modulaire à carte mère et cartes filles supporte tous les types de détecteurs monophotoniques sur le marché et s'adapte à tout type de signal. Le système d'acquisition offre aussi un procédé de calibration entièrement programmable permettant d'éviter l'ajustement manuel des longueurs de câble lors de l'assemblage du système. Comme le système utilise uniquement des composants électroniques disponibles sur le marché, le coût par canal est réduit de plus d'un ordre de grandeur, passant de > 10 000 CAD pour un système conventionnel à < 750 CAD pour le système dédié. Ce dernier offre des performances très compétitives par rapport aux systèmes d'acquisition commerciaux, avec une taille de bin de 13,02 ps, une précision moyenne de 19 ps largeur à la mi-hauteur (LMH) et une non-linéarité intégrale maximale de 10% LSB