Design, development, and modeling of a compton camera tomographer based on room temperature solid statepixel detector

Desde el descubrimiento de los rayos X en 1895 y su primera aplicación médica un año después, se han desarrollado diferentes técnicas de imagen médica. La tomografía por emisión es una rama de las imágenes médicas que permite a los médicos realizar un seguimiento de los procesos fisiológicos en el p...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: Calderón, Yonatán
Tipo de recurso: tesis doctoral
Estado:Versión publicada
Fecha de publicación:2014
País:España
Institución:CBUC, CESCA
Repositorio:TDR. Tesis Doctorales en Red
OAI Identifier:oai:www.tdx.cat:10803/283441
Acceso en línea:http://hdl.handle.net/10803/283441
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:Comton camera
Pixel detector
Qcdt detector
Ciències Experimentals
539
Descripción
Sumario:Desde el descubrimiento de los rayos X en 1895 y su primera aplicación médica un año después, se han desarrollado diferentes técnicas de imagen médica. La tomografía por emisión es una rama de las imágenes médicas que permite a los médicos realizar un seguimiento de los procesos fisiológicos en el paciente. Un compuesto radiactivo llamado radiotrazador se inyecta en el cuerpo del paciente. La molécula radiotrazador se elige para cumplir una tarea específica en el organismo que permite el seguimiento de un proceso fisiológico concreto. Los dos principales de técnicas de tomografía por emisión son PET y SPECT. En PET (Tomografía por Emisión de Positrones) el radiotrazador inyectado es un emisor de positrones. El positrón emitido se aniquila con un electrón produciendo un par de fotones gamma emitidos “back -to-back”. El escáner PET (por lo general de forma cilíndrica) detecta estos pares de fotones y reconstruye una imagen de la concentración del radiotrazador en el organismo. En SPECT (Tomografía Computarizada por Emisión Simple de Fotones) un solo fotón gammas es emitido en cada desintegración radiactiva del compuesto. El sistema de SPECT consiste en (al menos) una cámara gamma. Una cámara gamma está compuesta por un colimador mecánico y un fotodetector capaz de registrar la posición de la interacción. El colimador mecánico esta compuesto por un material denso con aperturas que sólo permite el paso de los fotones procedentes de una dirección particular. Los fotones colimados son detectados por el detector obteniendo una proyección del radiotrazador en el volumen del cuerpo del paciente. A partir de estas proyecciones se obtiene una imagen tomografía de la concentración del radiotrazador- SPECT es la técnica de tomografía de emisión más ampliamente utilizado debido a la gran variedad de radiotrazadores disponibles, y el bajo coste en comparación con PET. Sin embargo, SPECT tiene limitaciones intrínsecas debido a la colimación mecánica: baja eficiencia ya que sólo una fracción de los fotones gamma puede pasar a través del colimador, una relación proporcional inversa entre la eficiencia y la resolución de la imagen ( A mayor tamaño de las aperturas del colimador mayor será la eficiencia pero la resolución de la imagen empeorara) , y la cámara debe girar aumentando el tiempo de exposición . El concepto de cámara Compton fue concebido con el fin de superar estas limitaciones. Una cámara de Compton consta de dos detectores, llamados “scatterer” y “absorber”, trabajando en coincidencia. En un evento de coincidencia el fotón gamma (emitido por el radiotrazador) alcanza el “scatterer” y cambia de dirección como consecuencia de una interacción Compton. La gamma dispersada alcanza el “absorber" donde es absorbida en una interacción fotoeléctrica. Con la posición de ambas interacciones y las correspondientes energías, se puede reconstruir la superficie de un cono que contiene el punto desde donde el fotón gamma fue emitido. Con los conos reconstruidos a partir de varias coincidencias, es posible reconstruir una imagen de la actividad en el cuerpo del paciente. La cámara Compton tiene el potencial de superar todas las limitaciones intrínsecas de los SPECT ya que: cada gamma tiene una probabilidad de ser dispersado y producir una coincidencia, la resolución de la imagen no está vinculada a la eficiencia, y es posible obtener imágenes tridimensionales sin mover la cámara. Sin embargo, la complejidad de la reconstrucción de la imagen y los límites en la tecnología de detectores, han impedido que el concepto de cámara Compton se convertirse en un sistema de imagen médica viable. El proyecto VIP (“Voxel Imaging PET”) propone un diseño de detector de estado sólido (CdTe) con tecnología pixel para superar las limitaciones de los detectores basados en cristales de centelleo utilizados en PET. VIP cuenta con un diseño modular en el que el elemento básico es el modulo de detección. El módulo contiene los detectores de estado sólido que están segmentados en “voxels” de tamaño milimétrico. Gracias a un chip de lectura desarrollado en el proyecto, cada uno de los “voxels” del detector constituye un canal independiente para la medición de la energía, posición, y el tiempo de llegada de los fotones gamma detectados. Los módulos son apilados con el fin de formar los sectores de PET. Poner varios de estos sectores juntos, permite construir un anillo PET. Aunque el módulo VIP ha sido diseñado para el PET, la flexibilidad del diseño del módulo permite explorar otras posibles aplicaciones, como PEM (Mamografía por Emisión de positrones) y la cámara de Compton. En esta tesis se evaluará una cámara de Compton basado en el concepto detector VIP. Los detectores “scatterer” y “absorber” están compuestos de módulos de detección especial diseñados. Los módulos son apilados para crear los detectores. En el “scatterer” se utiliza Silicio como material activo a fin de maximizar la probabilidad de interacción Compton de los fotones. En el “absorber”, CdTe se utiliza como material activo con el fin de detener los fotones gamma que salen del “scatterer”. La excelente resolución en la energía de los detectores de estado sólido combinado con el tamaño milimétrico de los “voxels”, permiten obtener una alta precisión en la reconstrucción de los conos Compton que no se puede lograr con cristales de centelleo. En esta tesis vamos a utilizar simulaciones de Monte Carlo para evaluar y optimizar el diseño de la cámara Compton. Se utilizarán dos algoritmos de reconstrucción de imagen diferentes. La simulación nos permitirá obtener los parámetros geométricos óptimos, así como el rendimiento esperado de la cámara de Compton en términos de eficiencia en la detección y de resolución de la imagen. Se ha evaluado también un prototipo con menor campo de visión.

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