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TRABAJO ACADÉMICAMENTE DIRIGIDO
Mejora de la identificación del cristal  de
interacción enescáneres PET de alta resolución
mediante simulaciones
Jacobo Cal González
Dirigido por José Manuel Udías Moinelo Samuel
España Palomares
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ÍNDICE

• INTRODUCCIÓN
• DESCRIPCIÓN DE UN ESCÁNER PET
• FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CALIDAD DE IMAGEN PET
• OBJETIVOS DEL TRABAJO
• MÉTODOS EMPLEADOS
• RESULTADOS
• CONCLUSIONES

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INTRODUCCIÓN

• INTRODUCCIÓN
• DESCRIPCIÓN DE UN ESCÁNER PET
• FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CALIDAD DE IMAGEN PET
• OBJETIVOS DEL TRABAJO
• MÉTODOS EMPLEADOS
• RESULTADOS
• CONCLUSIONES

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INTRODUCCIÓN
PET

• Es una técnica de imagen médica funcional que
  permite estudiar el metabolismo de moléculas
  marcadas con un átomo emisor de positrones
  (18FDG)
• A partir de la radiación detectada se logra una
  imagen de la distribución de estas moléculas en
  el paciente, indicando cómo metaboliza ese
  trazador

IMAGEN FUNCIONAL
IMAGEN ANATÓMICA
CT
PET
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ESCÁNERES PET

• INTRODUCCIÓN
• DESCRIPCION DE UN ESCÁNER PET
• FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CALIDAD DE IMAGEN PET
• OBJETIVOS DEL TRABAJO
• MÉTODOS EMPLEADOS
• RESULTADOS
• CONCLUSIONES

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ESCÁNERES PET
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ESCÁNERES PET
Materiales centelleadores
Orgánicos Inorgánicos Empleados en PET
Tipos de materiales centelladores
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ESCÁNERES PET
Fotomultiplicadores
Conversión de los fotones visibles producidos en
el centelleador en fotoelectrones y posterior
multiplicación de los mismos
Amplificación 106
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ESCÁNERES PET
Fotomultiplicadores multiánodo
Se emplean en escáneres PET de alta resolución
para detectar la posición de interacción del
fotón ? incidente
Lógica de Anger
Fotomultiplicador Hamamatsu H8500 (rPET)
Método de cálculo de la posición de interacción
en fotomultiplicadores multiánodo
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ESCÁNERES PET
Ejemplos de escáneres PET
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ÍNDICE

• INTRODUCCIÓN
• DESCRIPCION DE UN ESCÁNER PET
• FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CALIDAD DE IMAGEN PET
• OBJETIVOS DEL TRABAJO
• MÉTODOS EMPLEADOS
• RESULTADOS
• CONCLUSIONES

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CALIDAD DE IMAGEN
LOR (Line Of Response)?
Línea que une los dos detectores en los que se
produce una coincidencia
A partir de los datos acumulados sobre estas
líneas de respuesta se puede reconstruir la
imagen, utilizando los algoritmos matemáticos
adecuados
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CALIDAD DE IMAGEN
Apilamiento y tiempo muerto

• Apilamiento (pile-up) Se produce la llegada de
  uno o más fotones adicionales durante el tiempo
  de integración del pulso
• Tiempo muerto tiempo de procesado durante el
  cual el detector no ofrece respuesta a nuevos
  sucesos

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CALIDAD DE IMAGEN
Profundidad de Interacción (DOI)?
Obtención de la información de DOI por separación
en dos o más capas de cristales centelleadores
Phoswich
Obtención de la DOI mediante la separación de una
sola capa de material centelleador en dos o más
capas virtuales sin hardware adicional
Phoswich dinámico
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OBJETIVOS

• INTRODUCCIÓN
• DESCRIPCION DE UN ESCÁNER PET
• FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CALIDAD DE IMAGEN PET
• OBJETIVOS DEL TRABAJO
• MÉTODOS EMPLEADOS
• RESULTADOS
• CONCLUSIONES

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OBJETIVOS
La calidad de imagen en la tomografía por emisión
de positrones depende fuertemente de la capacidad
de los detectores para determinar la energía, el
tiempo y la posición en la que ocurre una
interacción del fotón con el cristal

• Estudio de la influencia de ciertos factores
  (actividad, tiempo de integración y número de
  cristales) en la identificación del cristal de
  interacción
• Simulación del phoswich real
• Simulación del phoswich dinámico a partir de la
  dependencia de los fotones detectados en el
  fotomultiplicador con la profundidad de
  interacción (DOI)

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MÉTODOS

• INTRODUCCIÓN
• DESCRIPCION DE UN ESCÁNER PET
• FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CALIDAD DE IMAGEN PET
• OBJETIVOS DEL TRABAJO
• MÉTODOS EMPLEADOS
• RESULTADOS
• CONCLUSIONES

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MÉTODOS
Herramientas empleadas
PeneloPET
Es un entorno de simulación de Montecarlo
adaptado a la Tomografía por Emisión de
Positrones. Para la simulación de la interacción
radiación-materia utiliza PENELOPE y contiene
subrutinas propias para la simulación del resto
de procesos que tienen lugar en PET
Litrani
Es un código de simulación basado en métodos de
Monte-Carlo y diseñado para simular la
propagación de luz visible por medios isótropos y
anisotropos
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MÉTODOS
Código desarrollado

• Simulación del array de cristales y del
  fotomultiplicador multiánodo
• Realización del phoswich mediante el método de la
  integral de carga retardada
• Identificación del cristal de interacción. Tabla
  de asignación de cristales (LUT- Look Up Table)
• Cálculo de la relación pico-valle y de la bondad
• Simulación del phoswich dinámico

Relación pico-valle ? cociente entre las cuentas
obtenidas en el pico de un perfil de llenado de
campo y la media aritmética de las cuentas que
hay de fondo
Bondad ? cociente entre los fotones con cristal
de interacción asignado correctamente y el total
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ÍNDICE

• INTRODUCCIÓN
• DESCRIPCION DE UN ESCÁNER PET
• FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CALIDAD DE IMAGEN PET
• OBJETIVOS DEL TRABAJO
• MÉTODOS EMPLEADOS
• RESULTADOS
• CONCLUSIONES

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RESULTADOS
Imágenes de llenado de campo (rPET 30x30
cristales LSO)?
Llenado de campo Posiciones de los cristales
calculados mediante la lógica de Anger
Total
1 interacción
Pile-up
2 interacciones
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RESULTADOS
Imágenes de llenado de campo (eXplore Vista GE
15x15 cristales LSO-GSO)?
Total
1 interacción
2 interacciones
Pile-up
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RESULTADOS
Imágenes de llenado de campo (simuladas vs
reales)
rPET 30x30 cristales LSO
eXplore Vista GE 13(15)x(13)15 cristales LSO-GSO
Real
Simulado
Real
Simulado
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RESULTADOS
LUT delimitación de los cristales (rPET y
eXplore-Vista)?
rPET 30x30 cristales LSO
eXplore Vista GE 15x15 cristales LSO-GSO
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RESULTADOS
Mapas de bondad (rPET y eXplore-Vista)?
Mapa de bondad Representación de la bondad en
cada bin del llenado de campo
rPET 30x30 cristales LSO
eXplore Vista GE 15x15 cristales LSO-GSO
Mapas de bondad y llenados de campo no son lo
mismo!!!
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RESULTADOS
Influencia de la actividad en la identificación
del cristal de interacción (rPET 30x30
cristales)?
Tiempo de integración LSO y LYSO 80 ns GSO
125 ns BGO 600 ns
Actividad Número de interacciones por unidad de
tiempo. No es una actividad!!! sino una tasa de
detección !!
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RESULTADOS
Influencia del tiempo de integración en la
identificación del cristal de interacción (rPET
30x30 cristales)?
Tasa de detección 106 fotones/s
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RESULTADOS
Influencia del tamaño de los cristales en la
identificación del cristal de interacción (rPET
30x30 cristales)?
Pitch (mm) Nº de cristales
1.5 30 x 30
1.41 32 x 32
1.33 34 x 34
1.25 36 x 36
1.18 38 x 38
1.12 40 x 40
A mayor número de cristales menor será el tamaño,
ya que el tamaño del bloque detector es constante
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RESULTADOS
Phoswich
Método de la integral de carga retardada El
pulso de intensidad que se obtiene en el ánodo
del fotomultiplicador tras la interacción se
separa en dos partes. La primera parte será la
integración total del pulso desde 0 hasta el
tiempo de integración, mientras que la segunda
parte será la integración de dicho pulso desde un
tiempo D, mayor que 0, hasta el tiempo de
integración Si se representa la carga total
frente a la carga retardada, se podrá distinguir
en cuál de los dos centelleadores se produjo la
interacción y por lo tanto la profundidad de ésta
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RESULTADOS
Qtotal
Phoswich
Recta de separación
GSO
LSO
Qret
Separación de las capas LSO y GSO mediante el
método de la integral de carga retardada tiempo
de retardo 40 ns
Error mínimo de identificación de capa
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RESULTADOS
Phoswich dinámico Simulación de la producción de
luz con Litrani

• Caso A Cristal LSO recubierto con Teflón en
  todas sus caras, excepto la pegada al
  fotomultiplicador
• Caso B Cristal LSO recubierto con Teflón excepto
  en la cara pegada al fotomultiplicador y en la
  opuesta, que está cubierta con un absorbente
  perfecto

Caso B
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RESULTADOS
Phoswich dinámico Estudio preliminar de la
calidad de imagen
Resolución radial obtenida tras la reconstrucción
mediante FOREFBP de una fuente puntual con un
escáner eXplore Vista GE
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ÍNDICE

• INTRODUCCIÓN
• DESCRIPCION DE UN ESCÁNER PET
• FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CALIDAD DE IMAGEN PET
• OBJETIVOS DEL TRABAJO
• MÉTODOS EMPLEADOS
• RESULTADOS
• CONCLUSIONES

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CONCLUSIONES

• Se ha mejorado y completado una simulación
  realista para arrays de cristales centelleadores
  y fotomultiplicadores multiánodo
• Se ha evaluado el método de Phoswich mediante
  simulaciones
• Se ha propuesto un nuevo método para el
  conocimiento de la DOI del fotón incidente
  (phoswich dinámico) sin necesidad de realizar
  escáneres costosos y técnicamente complejos
• Este nuevo método promete la obtención de buenos
  resultados en términos de resolución en la imagen
  obtenida, pendiente de una validación completa
  sobre imágenes reconstruidas