La Medicina Nuclear ha experimentado avances significativos en los últimos años debido a la mejora en materiales, sistemas electrónicos, técnicas de algoritmia, de procesado etc., que han permitido que su aplicación se haya extendido considerablemente. Una de las técnicas que más ha progresado en este ámbito ha sido la Tomografía por Emisión de Positrones (PET, del inglés Positron Emission Tomography), consistente en un método no invasivo y muy útil para la evaluación de anomalías de tipo cancerosas. Este sistema está basado en un principio de toma de datos y procesado mediante el cual se obtienen imágenes de la distribución espacial y temporal de los procesos metabólicos que se generan en el interior del organismo.
Los sistemas PET están formados por un conjunto de detectores, colocados habitualmente en anillo, de forma que cada uno de ellos proporciona información acerca de los eventos que se han producido en su interior. Uno de los motivos por el cual los sistemas PET han evolucionado de forma tan significativa, ha sido la aparición de técnicas que permiten determinar el Tiempo de Vuelo (TOF, del inglés Time of Flight) de los fotones que se generan a causa de la aniquilación de los positrones con su antipartícula, los electrones. La determinación del TOF permite establecer con mayor precisión la ubicación de los eventos que se generan y, por tanto, facilita la labor de reconstrucción de la imagen que, en última instancia, utilizará el equipo médico para el diagnóstico y/o tratamiento.
En esta Tesis se parte de la hipótesis de desarrollar un sistema basado en Dispositivos Lógicos Reconfigurables (FPGAs, del inglés Field Programmable Gate Arrays) para la integración de un Convertidor Digital de Tiempo (TDC, del inglés Time-to-Digital Converter) para la medida precisa de tiempos con capacidad para el cálculo de la diferencia temporal de las partículas gamma para su posterior aplicación en sistemas PET.
Inicialmente, se describe el entorno dentro del cual surge la necesidad de la implementación de tal sistema y se formula una premisa de partida. A continuación, se exponen los principios básicos del PET así como el estado del arte de los sistemas similares.
Seguidamente, se plantean los principios del cálculo del TOF con FPGAs y se justifica el esquema adoptado, entrando en detalle en cada una de sus partes. Tras la implementación, se presentan los primeros resultados de medida de tiempos, obteniendo resoluciones menores de 100 ps para múltiples canales y caracterizando el sistema ante variaciones de temperatura.
Una vez caracterizado el sistema, se presentan las pruebas realizadas con un prototipo PET de mama y con tecnología de detectores FotoMultiplicadores Sensibles a la Posición (PSPMTs, del inglés, Position Sensitive PhotoMultiplier Tubes), haciendo medidas de TOF para distintos supuestos.
Tras esta primera prueba, se pasa a la implementación de dos módulos de FotoMultiplicadores basados en Silicio (SiPMs, del inglés Silicon PhotoMultipliers), detectores que presentan con respecto a los PSPMTs, entre otras ventajas, inmunidad a elevados campos magnéticos. Esto es de vital importancia si se pretende que el PET trabaje en combinación con una Resonancia Magnética (MR, del inglés Magnetic Resonance), como es el caso. Los dos módulos detectores se componen de un solo píxel y, para cada uno, se diseña su electrónica de acondicionamiento, teniendo en cuenta los parámetros más influyentes en la resolución temporal. Tras estos resultados, se pasa a probar el sistema en una matriz de 144 SiPMs, optimizando además diversos parámetros de impacto directo en el funcionamiento del sistema y, por tanto, en la resolución temporal alcanzada (hasta 700 ps).
Por último, demostradas las capacidades del sistema, se lleva a cabo un proceso de optimización, tanto del TDC, que permite mejorar la resolución a valores menores de 40 ps, como de un algoritmo de coincidencias, el cual se encarga de identificar pares de detectores que han registrado un evento dentro de cierta ventana temporal.
Finalmente, se recogen las conclusiones de la Tesis y las líneas futuras en las que se va a trabajar. Asimismo, se presentan las diversas participaciones, tanto en revistas de impacto como en congresos.Nuclear Medicine has undergone significant advances in recent years due to improvements in materials, electronics, software techniques, processing etc., which has allowed to considerably extend its application. One technique that has progressed in this area has been the Positron Emission Tomography (PET) based on a non-invasive method with its especial relevance in the evaluation of cancer diagnosis and assessment, among others. This system is based on the principle of data collection and processing from which images of the spatial and temporal distribution of the metabolic processes that are generated inside the body are obtained.
The imaging system consists of a set of detectors, normally placed in a ring geometry, so that each one provides information about events that have occurred inside. One of the reasons that have significantly evolved in PET systems is the development of techniques to determine the Time-of-Flight (TOF) of the photons that are generated due to the annihilation of positrons with their antiparticle, the electron. Determining TOF allows one for a more precise location of the events that are generated inside the ring and, therefore, facilitates the task of image reconstruction that ultimately use the medical equipment for the diagnosis and/or treatment.
This Thesis begins with the assumption of developing a system based on Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) for the integration of a Time- to-Digital Converter (TDC) in order to precisely carry out time measurements. This would permit the estimation of the TOF of the gamma particles for subsequent application in PET systems.
First of all, the environment for the application is introduced, justifying the need of the purposed system. Following, the basic principles of PET and the state-of-the-art of similar systems are introduced. Then, the principles of Time-of-Flight based on FPGAs are discussed, and the adopted scheme explained, going into detail in each of its parts. After the development, the initial time measurement results are presented, achieving time resolutions below 100 ps for multiple channels.
Once characterized, the system is tested with a breast PET prototype, whose technology detectors are based on Position Sensitive PhotoMultiplier Tubes (PSPMTs), performing TOF measurements for different scenarios.
After this point, tests based on two Silicon Photomultipliers (SiPMs) modules were carried out. SiPMs are immune to magnetic fields, among other advantages. This is an important feature since there is a significant interest in combining PET and Magnetic Resonances (MR). Each of the two detector modules used are composed of a single crystal pixel. The electronic conditioning circuits are designed, taking into account the most influential parameters in time resolution. After these results, an array of 144 SiPMs is tested, optimizing several parameters, which directly impact on the system performance.
Having demonstrated the system capabilities, an optimization process is devised. On the one hand, TDC measurements are enhanced up to 40 ps of precision. On the other hand, a coincidence algorithm is developed, which is responsible of identifying detector pairs that have registered an event within certain time window.
Finally, the Thesis conclusions and the future work are presented, followed by the references. A list of publications and attended congresses are also provided
