FACULTAD DE CIENCIAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA DE MATERIALES SISTEMA PET-COMPTON EN IMAGEN BIOMÉDICA FACULTAD DE CIENCIAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA DE MATERIALES SISTEMA PET-COMPTON EN IMAGEN BIOMÉDICA TESIS DOCTORAL ANGELINA DÍAZ GARCÍA MADRID, JUNIO 2009 TESIS DOCTORAL ANGELINA DÍAZ GARCÍA MADRID, JUNIO 2009

Imagen Biomédica Imagen Médica : TAC, US, RMN, SPECT, PET Imagen Molecular: RMN, PET, SPECT, Métodos Ópticos, Sistemas Duales Imagen Médica : TAC, US, RMN, SPECT, PET Imagen Molecular: RMN, PET, SPECT, Métodos Ópticos, Sistemas Duales Tendencia Imagen Molecular Base: Imagen Nuclear Imagen Molecular Base: Imagen Nuclear Medicina Molecular PREMISA: Perfeccionar los sistemas de imágenes, en particular resolución del PET ¿Dónde esta el tumor? ¿Dónde están las lesiones? F-18-FDG PET TAC

HIPÓTESIS :Es posible detectar coincidencias PET-COMPTON Detector Compton 1 CdZnTe Detector Compton 2 Centelladores del ClearPET Detector Compton 1 CdZnTe Detector Compton 2 Centelladores del ClearPET

Objetivo General Diseño y ensayo de un sistema experimental PET-Compton Objetivo General Diseño y ensayo de un sistema experimental PET-Compton Objetivos específicos Selección de Radionucleidos 1.- Selección de Radionucleidos 2.- Modelación y ensayo de un sistema PET- Compton 2.- Modelación y ensayo de un sistema PET- Compton 3.- Prueba experimental de registro y caracterización de coincidencias PET-Compton 3.- Prueba experimental de registro y caracterización de coincidencias PET-Compton Objetivos específicos Selección de Radionucleidos 1.- Selección de Radionucleidos 2.- Modelación y ensayo de un sistema PET- Compton 2.- Modelación y ensayo de un sistema PET- Compton 3.- Prueba experimental de registro y caracterización de coincidencias PET-Compton 3.- Prueba experimental de registro y caracterización de coincidencias PET-Compton

1.- Selección de radionucleidos e+e+ Cuantos γ RadionucleidoE media (keV) E máxima (keV) Probabilidad Emisión (%) E (keV) Probabilidad Emisión (%) Vida media 22 Na215,541819,789, ,6 a 44 Sc632,61475,394, ,93 h 48 V290,3694,749, ,55 99,98 15,97 d 44 Sc 48 V 22 Na

Factores limitantes resolución espacial - PET 2.- Modelación sistema PET- Compton Indeterminación angular Factores limitantes resolución espacial Compton Campo probable de emisión e + γ Probabilidad de coincidencias e + γ (ClearPET-CZT) Rango del positrón No colinealidad de la emisión Elongación Radial Ancho del cristal del detector Número de FM Valoración inicial de diseño

± 0,3 mm Tapa metálica Placa de soldadura Placa de conexión al circuito Electrónica frontal ASIC CZT CdZnTe (CZT) Doble dispersión < 80 % Dispersión < 20 % Penetración CZT 2.- Modelación sistema PET Compton Valoración inicial de diseño

Probabilidad de coincidencias e + γ (ClearPET-CZT) P e+γ = P TC · P TPET PET-Compton 2.- Modelación sistema PET- Compton Valoración inicial de diseño Evaluar Resolución espacial (FWHM) Eficiencia global Eventos PET-Compton Total de eventos generados

 Resolución energética detector CZT ,5 %  Precisión en energía PET- Compton... 0,04  Resolución energética ClearPET %  Precisión en energía PET ,4  Tiempo medición señal en detectores ns Fantoma H 2 O D=4 cm 2.- Modelación sistema PET- Compton. Monte Carlo Ideal Condiciones de simulación: 10 mCi, 370 x10 6 eventos, 1 seg. Fuentes 1 mm 22 Na 22 Na 48 V 44 Sc Recorrido del e + - cuantos γ aniquilación

PET Reconstrucción Analítica- SSRB Visualización AMIDE 22 Na 48 V 44 Sc Fuentes puntuales 2.- Modelación sistema PET- Compton. Monte Carlo Ideal PET-Compton Dos fuentes puntuales

22 Na 48 V 44 Sc Resultados 2.- Modelación sistema PET- Compton. Monte Carlo Ideal Eficiencia Global

Coincidencias Compton 2.- Modelación PET- Compton. Monte Carlo Sistema experimental Idénticos objetos de estudio, parámetros reales Utilizados en la configuración experimental Idénticos objetos de estudio, parámetros reales Utilizados en la configuración experimental 22 Na- γ = 1275 keV 137 Cs- γ = 662 keV FWHM CZT, cent ideal FWHM cent = 20 % FWHM CZT = 1,5 % ; Diferencia ángulo geométrico y ángulo calculado < 0,2

CZT píxeles (3x3) operativos, 1,4x1,4x5 mm Cent ClearPET 4 módulos - 16 FM detectores matriciales (8x8) 2x2x20 mm LYSO-LuYAP ClearPET 16 módulos - 64 FM detectores matriciales (8x8) 2x2x20 mm LYSO-LuYAP Distancia Fuente radiactiva-CZT: 100 mm CZT- cent: 120 mm CZT-ClearPET: 155 mm Ángulos CZT-ClearPET: ± 30°; ±40 CZT píxeles (3x3) operativos, 1,4x1,4x5 mm Cent ClearPET 4 módulos - 16 FM detectores matriciales (8x8) 2x2x20 mm LYSO-LuYAP ClearPET 16 módulos - 64 FM detectores matriciales (8x8) 2x2x20 mm LYSO-LuYAP Distancia Fuente radiactiva-CZT: 100 mm CZT- cent: 120 mm CZT-ClearPET: 155 mm Ángulos CZT-ClearPET: ± 30°; ± Modelación PET- Compton. Monte Carlo Sistema experimental Sistema experimental 22 Na- γ = 1275 keV Simulación Posición de incidencia detectores Posición de incidencia detectores Parámetros Reales Coincidencias PET- Compton

PET PET-Compton LoR 1,16 mm 2.- Modelación PET- Compton. Monte Carlo Sistema experimental

Módulos ClearPET (0,5,10,15) ±30°, ±40° Módulos ClearPET (0,5,10,15) ±30°, ±40° CZT Detectores Compton PET 3.-Ensayo experimental de concepto del efecto PET- Compton

Píxeles: 1,4 mm x 1,4 mm x 5 mm Calibración CZT CZT Centelladores 3.- Ensayo experimental de concepto del efecto PET-Compton

Antes Después Corrección Energía (keV) Cuentas 137 Cs – píxel (21-9) >125 keV 45 keV Sin corrección Con corrección Espectro energético del 137Cs (5,4 MBq) para los 9 píxeles activos 3.-Ensayo experimental de concepto del efecto PET-Compton CZT- Espectro energético – Profundidad de interacción

CZT- Coincidencias temporales – Profundidad de interacción Coincidencias t CZT - t cent ( x 6,25 ns) Histograma de coincidencias en función del desplazamiento temporal del 137 Cs para los 9 píxeles activos Sin correcciónCon corrección T v =6,25 ns 3.-Ensayo experimental de concepto del efecto PET-Compton

CZT- Incertidumbre angular 3.-Ensayo experimental de concepto del efecto PET-Compton Histograma de los ángulos geométrico y calculado Histograma de los ángulos geométrico y calculado Sin corrección Incertidumbre angular ángulo geométrico - ángulo calculado Incertidumbre angular ángulo geométrico - ángulo calculado 20  Con corrección 10 

3.-Ensayo experimental de concepto del efecto PET-Compton Procesamiento de datos

No coincid No RESET Tiempo CZT (x 6,25ns) filcolE píxel (unid ADC) E cátodo (unid ADC) Tiempo cent (x 6,25ns) No módulo FMcristal cent LYSO LuYAP E cent (x 5 keV) ············· ············· ············· ············· ············· ············· Coincidencia CZT-centellador “simple” Coincidencia CZT- centellador - centellador “triple” Coincidencia CZT-centellador - centellador-centellador “cuádruple” 3.-Ensayo experimental de concepto del efecto PET-Compton. Resultados

Coincidencias PET-Compton 0,12 % Coincidencias Compton totales 10° 22 Na 0,7 MBq 10 h 22 Na 0,7 MBq 10 h 3.-Ensayo experimental de concepto del efecto PET-Compton. Resultados

PET PET-Compton 3.-Ensayo experimental de concepto del efecto PET-Compton. Resultados

Indeterminación ángulo Compton a 40° (°) 511 keV662 keV1275 keV CálculoDoppler y otros efectos2,6-1,4 Modelación matemática del diseño experimental Resolución detectores ideal-2,061,94 Resolución detectores 1,5 % y 20 %-2,192,02 Pruebas experimentalesSin corregir profundidad CZT-20 Con corrección profundidad CZT-10 Modelación ideal Fuente puntual PET (Diámetro mínimo anillo ClearPET)PET-Compton (Diámetro máximo anillo ClearPET) Resolución espacial (mm)Eficiencia globalResolución espacial (mm)Eficiencia global 22 Na2,734· ,868· V2,856· ,524· Sc3, ,143·10 -5 Resolución espacial, eficiencia global: PET y PET-Compton ideal Fuente puntual 22 Na PETPET-Compton Resolución espacial (mm)Eficiencia globalResolución espacial (mm)Eficiencia global Modelación matemática2,734· ,163,58· Pruebas experimentales3,477,3·10 -7 < 13,17· Indeterminación ángulo Compton a 40° Resolución espacial, eficiencia global-PET y PET-Compton experimental 3.-Ensayo experimental de concepto del efecto PET- Compton. Resultados

Conclusiones 1.-Se diseñó y ensayó un sistema de imagen biomédica basado en el registro simultáneo de los cuantos γ resultado de eventos de aniquilación y emisión de cuantos γ acompañantes de radionucleidos positrónicos. 2.-El examen de la región de interacción de las líneas de aniquilación positrónica con el cono formado a partir de la dispersión Compton del cuanto γ acompañante mediante reconstrucción analítica, permite delimitar la zona probable de ubicación de la fuente emisora con mayor precisión que en el caso sólo del registro de los eventos de aniquilación de los sistemas PET. 3.-Teniendo en cuenta las propiedades químicas y biológicas de los compuestos de los elementos correspondientes y las propiedades físico-nucleares y posibilidades prácticas de obtención de los radionucleidos, de un conjunto de 310 posibles, se seleccionaron para el estudio el 48 V y el 44 Sc. Resultó conveniente también a los fines de la experimentación, el uso de fuentes puntuales de 22 Na. 1.-Se diseñó y ensayó un sistema de imagen biomédica basado en el registro simultáneo de los cuantos γ resultado de eventos de aniquilación y emisión de cuantos γ acompañantes de radionucleidos positrónicos. 2.-El examen de la región de interacción de las líneas de aniquilación positrónica con el cono formado a partir de la dispersión Compton del cuanto γ acompañante mediante reconstrucción analítica, permite delimitar la zona probable de ubicación de la fuente emisora con mayor precisión que en el caso sólo del registro de los eventos de aniquilación de los sistemas PET. 3.-Teniendo en cuenta las propiedades químicas y biológicas de los compuestos de los elementos correspondientes y las propiedades físico-nucleares y posibilidades prácticas de obtención de los radionucleidos, de un conjunto de 310 posibles, se seleccionaron para el estudio el 48 V y el 44 Sc. Resultó conveniente también a los fines de la experimentación, el uso de fuentes puntuales de 22 Na.

4.-El dispositivo experimental consistente en un microPET comercial (Clear PET) y un detector Compton de CdZnTe (CZT) diseñado y construido al efecto, permitió mediante modelación y ensayos: Seleccionar entre (10-60) o el intervalo preferente de dispersión Compton y precisar como energía mas conveniente del cuanto γ acompañante valores de alrededor de 1 MeV. Realizar las correcciones de la dependencia del espectro energético y temporal de la profundidad de interacción en el CZT y en consecuencia disminuir la resolución angular de 20 o a 10°. Estimar en valores por debajo del milímetro la zona de emisión real de la interacción PET-Compton. 5.-Se obtuvieron imágenes experimentales del registro simultáneo de eventos de aniquilación y dispersión Compton. 4.-El dispositivo experimental consistente en un microPET comercial (Clear PET) y un detector Compton de CdZnTe (CZT) diseñado y construido al efecto, permitió mediante modelación y ensayos: Seleccionar entre (10-60) o el intervalo preferente de dispersión Compton y precisar como energía mas conveniente del cuanto γ acompañante valores de alrededor de 1 MeV. Realizar las correcciones de la dependencia del espectro energético y temporal de la profundidad de interacción en el CZT y en consecuencia disminuir la resolución angular de 20 o a 10°. Estimar en valores por debajo del milímetro la zona de emisión real de la interacción PET-Compton. 5.-Se obtuvieron imágenes experimentales del registro simultáneo de eventos de aniquilación y dispersión Compton. Conclusiones

Proyección del Sistema PET-Compton Diseño y construcción de un prototipo para ensayos en animales Perfeccionar detector CZT:Mejorar resolución energética y espacial, eficiencia. Incrementar el número de detectores PET y Compton Seleccionar la geometría mas adecuado por modelación Automatizar el procesamiento de corrección de algunos efectos Desarrollar la radiofarmacia con base a los radionucleidos seleccionados

Muchas Gracias