Sistema concentrador de luz para un detector híbrido PET-RM basado en cristales continuos y SiPM
- Autores: Antonio Peiró Cloquell
- Directores de la Tesis: José María Benlloch Baviera (dir. tes.), Antonio Javier González Martínez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Católica de Valencia San Vicente Mártir ( España ) en 2012
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Luis Martí Bonmatí (presid.), María Dolores Reyes Ojeda (secret.), Filomeno Sánchez Martínez (voc.), Francisco Ródenas Escribá (voc.), Juan Ignacio Villaescusa Blanca (voc.)
- Materias:
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- Resumen
La presente tesis doctoral desarrolla el estudio, diseño e implementación de un módulo de detección para sistemas PET que pueda operar inmerso en los intensos campos magnéticos propios de la RMN sin verse perturbado por ellos. Nos proponemos que este sistema mejore la resolución temporal de los sistemas existentes es decir mejore el tiempo de respuesta. Asimismo con este sistema aumentamos la resolución espacial por reducción del tamaño del píxel permitiendo detectar las señales de la radiación con mayor precisión y, por lo tanto, describiendo mejor su procedencia. También con este sistema eliminamos o reducimos el llamado efecto de borde del cristal centelleador, efecto que incide produciendo una compresión de la imagen.
Existe una gran sinergia entre las técnicas PET y RM, ya que cada una de ellas proporciona por separado información que no es posible obtener con la otra. Con un dispositivo integrado PET-RM se podrán aportar notables ventajas tanto al proceso como a la calidad de la exploración. Los problemas tecnológicos y de desarrollo práctico en los sistemas PET-RM son complejos debido a las interferencias del sistema PET con los campos magnéticos de cualquier tipo, así como las interferencias de la radiofrecuencia de la resonancia con la electrónica del PET. También el comportamiento de la RM puede verse afectado por la presencia de los elementos empleados en el PET. Es relevante el hecho de definir un sistema insensible a campos magnéticos como opción precursora del sistema compacto e híbrido.
Nos proponemos resolver el diseño de un sistema PET basado en elementos fotosensores de bajo coste e insensible a campos magnéticos propios de la RM utilizando fotosensores de tipo SiPM. Estos dispositivos junto con cristales centelleadores continuos permitirán mejorar las prestaciones del sistema PET como son la reducción del tiempo de respuesta y el aumento de la resolución espacial.
Por una parte pretendemos determinar la incidencia tanto del campo angular de aceptación de luz centelleante como del espesor del cristal en tres aspectos que son la resolución en energía, la resolución en posición y la compresión de la imagen por efecto de borde. Por otra nuestro objetivo se centra en el diseño y concreción del sistema óptico que, de forma óptima, permite acoplar el cristal centelleador a una matriz de 256 fotosensores del tipo SiPM. Aplicamos como procedimientos y metodología la experimentación y la simulación.
En la primera de las parte evaluaremos los efectos que conlleva la aplicación de ciertas restricciones angulares y de anchura de cristal considerado como elemento detector un fotomultiplicador de 8x8 ánodos cuyos PADs tienen unas dimensiones de 6x6 mm2 aproximadamente. Intentaremos hacer extensivo el estudio a un array de 16x16 elementos con área activa efectiva de 3x3 mm2. Buscamos obtener la relación de compromiso entre máximo ángulo de aceptación y máximo espesor de cristal que optimice el funcionamiento del sistema en cuanto a minimizar tanto el efecto de compresión de imagen por efecto de borde como el efecto de PAD manteniendo una buena resolución en energías, todo ello sin desatender la disponibilidad técnica de medios y dispositivos de acople óptico. Incluimos un estudio de métodos que de forma teórica nos permita resolver las coordenadas del punto de impacto del fotón gamma considerando la energía y la anchura de la distribución de luz.
En la segunda modelaremos el componente óptico ideal que permita concentrar luz centelleante en el SiPM con rendimiento óptimo atendiendo consideraciones de diseño y viabilidad técnica. Dicho sistema concentrador acturá como filtro angular de manera que podamos eliminar o cuanto menos disminuir el efecto de borde. Estableceremos una concreción en cuanto a procedimientos, materiales, métodos y medios para conseguir optimizar cualitativamente el acoplamaiento óptico entre el cristal y la matriz de 256 concentradores y, entre éstos y los sensores de manera que actúen como guías de luz entre el cristal y cada uno de los sensores consiguiento el mejor ajuste, fiabilidad y viabilidad posibles.
En la simulación abordamos una distribución de fuentes puntuales de emisión de luz en el cristal con forma exponencial decreciente y discreta en Z. Por una parte hemos considerado que éstas estaban perfectamente colimadas para cada punto de una matriz (caso ideal) y por otra que se produce una distribución Gaussiana de las mismas centrada en cada punto de la matriz. Esta segunda consideración reproduce con mayor aproximación los resultados experimentales.
Con mapas de detección bidimensionales incluyendo la profundidad de emisión y considerando distintos ángulos de aceptación y espesores de cristal, hemos visualizado la variación que se produce, tanto en compresión de imagen por efecto de borde, como del efecto que hemos llamado de PAD al aumentar la profundidad de la fuente. La comparativa entre gráficos nos ha permitido concluir que evitar una excesiva distorsión en la imagen por efecto de PAD y una excesiva compresión por efecto de borde, la mejor solución pasa por establecer un compromiso entre limitación angular y espesor de cristal. Atendiendo a la disponibilidad técnica en cuanto a medios de acople óptico o mediante dispositivos que permiten establecer limitación en campo angular, por ejemplo los llamados faceplates, la mejor solución estaría en establecer una restricción angular de 33.33º. Este ángulo se corresponde con el ángulo límite que generará un interface de aire entre cristal y fotosensores o alternativamente con el ángulo que aporta la incorporación del dispositivo faceplate del tipo 47A. A menores valores de ángulo límite se produce una mayor distorsión por problemas de resolución espacial debido al efecto de PAD. En cuanto al grosor del cristal, para este ángulo la mejor solución será utilizar cristales cuya anchura no supere los 15 mm, aunque 18 mm podría ser también viable bajo ciertas condiciones.
Con un procedimeinto matemático que incorpora una dependencia de la energía y del 1er, 2º y 3er momentos de la distribución de luz hemos resuelto el efecto de borde con una resolución espacial máxima de 1.38 mm en X, de 2.38 mm en Y y de 5.65 mm en Z para un cristal de 12 mm de espesor y un ángulo de aceptación de 54.95 grados. La valoración en X e Y nos parece altamente satisfactoria, no siendo el caso en Z.
Experimentalmente hemos estudiado y valorado la resolución en energías, el efecto de compresión de imagen y efecto de PAD por medio de una matriz de 9x9 fuentes de emisión distribuidas cada 5 mm, las cuales se coliman mediante una máscara de Tungsteno. El análisis de los datos se ha efectuado representando los mapas de puntos detectados así como las proyecciones de las coordenadas de dichos puntos.
La incorporación en el sistema de los modelos de faceplate 75A y 47A ha permitido restringir el ángulo de aceptación a 18.58º y a 33.33º, respectivamente. La no incorporación de faceplate y por tanto el uso exclusivo de grasa como medio acoplador supone delimitar el campo angular al ángulo límite que en este caso es de 54.95º.
Con una limitación angular de 18.58º solamente hemos hecho estudios con el cristal de 21 mm ya que el mapa de puntos obtenido incluso para este espesor no permite resolver las posiciones de las fuentes debido a que los eventos se colectan mayoritariamente en el PAD enfrentado a la fuente o en éste y sus adyacentes. Hemos descartado por lo tanto aplicar campos angulares tan restrictivos en el caso de los PMT de 64 ánodos ya que para cristales de menor grosor aún se verá más aumentado este efecto. Al limitar a 33.33º con el FP47A hemos constatado que hasta 15 mm aún es posible resolver con cierta definición las fuentes más cercanas a los bordes. Con el modelo 75C, similar en apertura numérica al 75A pero sin control de luz difusa no se aprecia el efecto de PAD pudiéndose resolver las fuentes. No obstante ya con 15 mm de espesor se aprecia un notable efecto de borde superior al que se genera con el 47A como es de esperar. La restricción a 54.95º aporta una muy marcada compresión que a lo sumo permite diferenciar las fuentes con cristales de 12 mm.
Concluimos que con la restricción angular aportada por el FP47A estaríamos ante la mejor solución en el caso de PMTs tal y como se observa en las simulaciones. Una opción angular más restrictiva incrementa excesivamente el efecto de PAD y las menos restrictivas aportan un notable aumento del efecto de borde que obliga a utilizar cristales de menor grosor y por tanto con menor eficiencia.
En el análisis de los estudios de resolución energética concluimos que la reducción en campo angular degrada la resolución energética tal y como se intuía. El motivo lo encontramos en la disminución de la estadística de detección de luz al reducir el ángulo de aceptación. Tal y como es previsible observamos que prácticamente no se produce dependencia con el espesor del cristal al contrario que con el ángulo de aceptación.
Para acoplar el cristal centelleador continuo a la matriz de 256 SiPM de 1x1 mm2 y por lo tanto de 3x3 mm2 a la cara de entrada necesitamos disponer de una matriz de 256 elementos concentradores que actúen como guías de luz entre el cristal y cada uno de los sensores. Para su diseño aplicamos consideraciones de diseño y viabilidad técnica.
¿ Si queremos limitar la Etendue de la fuente haciendo que el sistema óptico acoplador sólo colecte determinado ángulo sólido según su ángulo de aceptación para el que fue diseñado, entonces, el CPC en dos dimensiones es el dispositivo óptimo para iluminar el receptor con un ángulo de aceptación de ±90º. El transformador de ángulos será el mejor dispositivo cuando tenemos fijada la concentración y el ángulo de emisión de la fuente, ya que dejaríamos como grado de libertad el ángulo de aceptación del receptor.
¿ El comportamiento en tres dimensiones de un CPC o un transformador de ángulos en crucería deja de ser ideal y se aleja considerablemente del comportamiento en dos dimensiones. Luego, un CPC o TA en tres dimensiones no pueden limitar la luz a conos de ángulo constante ya que no tienen una aceptación 3D constante.
¿ Atendiendo a la viabilidad de la fabricación del molde y posterior producción en masa, se da el caso de que soluciones que son teóricamente buenas (como el CPC) no son tal cual factibles. Es necesaria la existencia de radios de curvatura que redondean las aristas, etc., y por tanto el comportamiento del sistema óptico en términos de transmitancia variará considerablemente respecto al sistema ideal.
¿ Establecemos que la fabricación está limitada a matrices de 8x1 elementos con radios de curvatura de 200 micras en la conjunción de dos paredes laterales. Si para el ensamblado pegamos las matrices de 8x1 elementos sobre una lámina de PMMA disminuye la transmisión y aumenta el ruido. Con los resultados obtenidos en nuestros estudios de diseño en cuanto a transmisión de luz, relación señal-ruido, uniformidad de la distribución de luz en el sensor, optamos por el Transformador de Ángulos adaptado (TAa) como el sistema que globalmente mejores prestaciones presenta.
Efectuamos un estudio de cómo y con qué materiales acoplar los distintos elementos del sistema detector formado por el cristal, la matriz de concentradores y la matriz de fotosensores consiguiento el mejor ajuste, fiabilidad y viabilidad posibles. Además de establecer procesos operativos y métodos de control, hemos realizado ensayos y pruebas con distintos materiales y utillajes de pegado. Como materiales hemos probado fundamentalmente láminas adhesivas ópticamente transparentes (OCA) y siliconas ópticas. El uso de las láminas nos ha generado problemas de uniformidad en el contacto óptico así como de manipulación. Por problemas de fiabilidad de reproducción del acople y optamos por desestimarlas. Con las pruebas que hemos realizado con silicona conseguimos una mejora con respecto a las pruebas con láminas. Usaremos por tanto silicona como material de pegado.
Para conseguir una excelente alineación y planitud de los elementos en el montaje diseñamos un holder que permitirá alinear los TAas de forma estable. Garantizamos una gran precisión en el alineamiento del área activa de los sensores con las caras de 1x1 mm2 de los concentradores. Otro dispositivo nos garantizaba el encuadre (alineación y centrado) entre cristal y concentradores.
Hemos estudiado la bondad de fabricación de los concentradores y los resultados obtenidos han estado dentro de las tolerancias. La correcta alineación concentrador-sensor permitirá que no rebose silicona en las paredes del concentrador o en todo caso lo haga de forma mínima. Tal efecto hay que evitarlo ya que cambiaría su transmisión debido a que cambiaría su comportamiento en cuanto a reflexión interna. El grosor de la capa de silicona junto con la capa de resina epoxy que incorporan los sensores también influirá negativamente en la transmisión. Un estudio de colección de luz en función del radio de curvatura del rebose y del espesor del epoxy refleja la conveniencia de disponer de sensores con menor protección de epoxy.
La apreciación de cierta falta de planitud en los detectores reales apreciada tras el horneado ha sido analizada y atribuida fundamentalmente a la inhomogeneidad en la temperatura del horno. Esta inhomogeneidad produce que no se derrita completamente la soldadura. El problema lo hemos resuelto trabajando en un horno profesional que presenta mejores prestaciones en cuanto a homogeneidad de temperatura.
