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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