A small animal PET prototype with sub-millimetre spatial resolution based on tRPCs

espanolLa Tomografia de Emision de Positrones (PET) es una tecnica usada en medicina nuclear donde un componente biologicamente activo, trazador, marcado radioactivamente con un emisor de positrones (generalmente 18F, 11C, 13N u 15O), es introducido en el cuerpo tanto por inyeccion como por inhalacion. Posteriormente la localizacion de este componente es obtenida mediante la deteccion de la radiacion emitida por la sustancia radioactiva asociada. Ya que la imagen obtenida muestra la distribucion del trazador en el interior del cuerpo, el PET es capaz de localizar donde y a que ritmo un cierto proceso metabolico, asociado a este trazador, tiene lugar. Por tanto, es capaz de determinar cuando la funcion bioquimica de un cierto organo esta alterada, mientras que muchas otras tecnicas de medica (rayos X, ultrasonidos) estan normalmente limitadas a la estructura fisica del organo. Esta tecnica se usa normalmente en organos y enfermedades en donde la informacion funcional es de principal importancia, mientras que la informacion estructural es irrelevante o ambigua. Algunos ejemplos son las enfermedades neurologicas, las enfermedades de corazon o el cancer. Una de las aplicaciones especificas del PET es la tomografia de pequenos animales, aplicada en el desarrollo de nuevas drogas, en el estudio de enfermedades y en la verificacion de terapias geneticas. En esta modalidad, pequenos animales como ratones transgenicos y ratas, son usados como modelos experimentales. Debido a las pequenas dimensiones de los tejidos internos de estos animales, son necesarios instrumentos con alta resolucion espacial y alta sensibilidad. Sin embargo, es dificil para los tomografos existentes, basados en la tecnologia de centelleadores obtener altas sensibilidades combinadas con una alta resolucion espacial. Las Camaras de Placas Resistivas para medida de tiempos (tRPCs) poseen unas caracteristicas que las convierten en un fuerte candidato para su uso en PET y mas concretamente en PET de pequenos animales. La idea basica de la deteccion es usar las propias placas del detector como conversores gamma. Asi, algunos de los rayos gamma emitidos por el objeto de estudio son convertidos en electrones que eventualmente llegan al espacio de amplificacion produciendo una senal detectable. Las caracteristicas mas importantes de este tipo de tecnologia aplicada en PET son: una alta eficiencia geometrica, medida tridimensional del punto de deteccion del foton, resolucion espacial submilimetrica, alta resolucion temporal (0.3 ns FWHM), eficiencia moderada y bajo coste de produccion. El objetivo de este trabajo consistira en el desarrollo de un prototipo de PET para pequenos animales, basado en RPCs, que alcance resoluciones submilimetricas combinadas con una alta sensibilidad. Este tipo de tecnologia podria ser una firme alternativa a otras tecnicas utilizadas en tomografia de pequenos animales. Existen cuatro tareas principales: - Simulacion. Desarrollo de un programa MonteCarlo para el estudio de la viabilidad de dicho detector y optimizacion de los parametros del diseno: geometria, tipo de materiales, espesores, numero de detectores, ... - Construccion. Construccion de un primer prototipo, constituido por dos elementos de deteccion y la construccion, programacion y depuracion tanto del sistema de adquisicion de datos, como de la electronica de lectura de los elementos de deteccion. - Operacion. Estudio del punto idoneo de funcionamiento de los elementos de deteccion, la interpretacion de los datos provenientes de los mismos y la programacion de los algoritmos necesarios para la reconstruccion de las imagenes obtenidas. - Evaluacion. Evaluacion / comprension de los resultados, la comparacion con los resultados obtenidos previamente en la simulacion y la evaluacion mediante el uso de herramientas de simulacion del rendimiento de un sistema completo basado en esta tecnologia. EnglishThe aim of this thesis is to explore the possibility of building a Positron Emission Tomography (PET) system with sub-millimetre spatial resolution and absence of parallax error based on timing Resistive Plate Chambers (tRPC), to be used in the imaging of small animals. An RPC-PET prototype has been built consisting in two detector heads. Each head is built from sixteen independent metal-glass RPCs with a gas gap of 0.300 mm working on avalanche mode in the standard mixture. The characteristics that could turn a RPC-PET into a competitive system can be summarized as follows: • Sub-millimetre spatial resolution uniform on the entire Field of View (FOV) (parallax free error). Approximately 0.500 mm Full Width at Half Maximun (FWHM), experimentally measured with a point-like 22Na source for a system diameter of 60 mm. • Simulated, absolute central point source sensitivity of 2.1 % and Noise Equivalent Count (NEC) peak of 320 kcps. • Low cost, less than 100 k€, due to the inexpensiveness of the materials used in its constructions (except the FEE and DAQ), allowing the fast spread of the system for many research groups.