Sistemas tomográficos multimodalidad para animales de laboratorio

Directores: Juan José Vaquero López/Manuel Desco Menendez

Esta Tesis Doctoral explora alternativas tecnológicas para la implementación de sistemas PET y SPECT para roedores así como la integración de los mismos con sistemas tomográficos de rayos X. Específicamente, se aborda el problema de optimizar el rendimiento de los escáneres basados en anillos parciales de detectores debido a que además de ser una solución menos costosa que los equipos basados en anillos completos, permiten la integración de un sistema de imagen anatómica de forma coplanar. Los sistemas de imagen funcional propuestos se basan en bloques detectores de elevada resolución intrínseca y área activa reducida, cuyo diseño les permite funcionar con mínimos cambios en PET y SPECT. Para la detección y digitalización de los datos de los detectores se ha desarrollado una nueva técnica denominada WMLET (Width Modulated Leading Edge Timing) y se ha implementado una arquitectura de adquisición de datos sobre dispositivos de lógica programable basada en la misma. El rendimiento y las posibilidades de esta aproximación se han evaluado mediante la construcción de un prototipo de sistema de adquisición de datos para PET y/o SPECT y la realización de pruebas exhaustivas del mismo utilizando diferentes tipos de detectores. Para evaluar la aplicabilidad de la combinación tecnológica propuesta a la construcción de equipos de imagen tomográfica se han implementado sistemas PET y SPECT para roedores cuyo diseño permite incluir un sistema CT de rayos X coplanar al sistema de imagen funcional. El rendimiento del sistema PET se ha medido utilizando el estándar NEMA NU-4 recientemente aprobado para la evaluación del rendimiento de tomógrafos PET de animales de laboratorio. Para caracterizar el sistema SPECT, al no existir un protocolo estándar para pequeño animal se ha seguido un protocolo similar al utilizado para sistemas de humanos y se han realizado estudios in vivo con roedores y con maniquíes. Para validar la aproximación multimodalidad basada en sistemas coplanares se ha integrado un sistema tomográfico de rayos X con el sistema PET, se ha medido la precisión del alineamiento inter-modalidad y se han realizado estudios multimodalidad con maniquíes y con roedores (in vivo). En relación al sistema CT se incluyen las aportaciones realizadas al diseño e implementación del mismo. Para finalizar, se compara el rendimiento y el potencial de las aproximaciones de diseño propuestas con otras desarrolladas por diversos grupos de investigación (algunas utilizadas en sistemas comerciales) demostrando su viabilidad para la implementación de sistemas de pequeño animal. Abstract This PhD Thesis explores technological alternatives for the implementation of small-animal PET and SPECT systems as well as the possibilities for integrating them with X-ray tomographic systems. Specifically, this work focuses on the problem of optimizing the performance of scanners based on partial rings of detectors, because this approach is a more inexpensive solution than complete rings based systems, and also allows the integration of an anatomical imaging system in a coplanar configuration. The functional imaging systems proposed are based on high-resolution and small-area detectors, whose design allows them to work with minimal changes in PET and SPECT modalities. For the detection and digitization of the data from the detectors a new technique called WMLET (Leading Edge Timing Width Modulated) has been developed and a data acquisition architecture based on it has been implemented using programmable logic devices. The performance and potential of the proposed approach have been evaluated through the construction of a prototype data acquisition system for PET or SPECT and thorough testing of its performance using different types of detector. To evaluate the applicability of the proposed technology to small-animal scanners, PET and SPECT tomographic imaging systems have been implemented. The design of these systems allows the inclusion of an X-ray CT system coplanar to them. PET system performance was measured using the NEMA NU-4 2008 standard recently adopted for assessing the performance of small-animal PET scanners. To evaluate the performance of the SPECT system, and due to the absence of a standard protocol for small animals, it has been followed a similar protocol to that used for human systems and in vivo studies have been conducted with rodents and phantoms. To validate the multimodality approach based on coplanar systems, an X-ray tomographic system has been integrated with the PET tomograph. Inter-modality alignment precision has been measured and multimodality studies have been conducted with phantoms and rodents (in vivo). In relation to the CT system, this work includes some contributions of the author to the design and implementation. Finally, we compare the performance and potential of the proposed design approaches, with those developed by other research groups (some used in commercial systems) to demonstrate its feasibility for the implementation of small-animal imaging systems.