Application of novel technologies for the development of next generation MR compatible PET inserts

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dc.contributor.advisor Vaquero López, Juan José
dc.contributor.author Konstantinou, Georgios
dc.date.accessioned 2017-09-12T14:40:21Z
dc.date.available 2017-09-12T14:40:21Z
dc.date.issued 2017-06
dc.date.submitted 2017-06-22
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10016/25224
dc.description.abstract Multimodal imaging integrating Positron Emission Tomography and Magnetic Resonance Imaging (PET/MRI) has professed advantages as compared to other available combinations, allowing both functional and structural information to be acquired with very high precision and repeatability. However, it has yet to be adopted as the standard for experimental and clinical applications, due to a variety of reasons mainly related to system cost and flexibility. A hopeful existing approach of silicon photodetector-based MR compatible PET inserts comprised by very thin PET devices that can be inserted in the MRI bore, has been pioneered, without disrupting the market as expected. Technological solutions that exist and can make this type of inserts lighter, cost-effective and more adaptable to the application need to be researched further. In this context, we expand the study of sub-surface laser engraving (SSLE) for scintillators used for PET. Through acquiring, measuring and calibrating the use of a SSLE setting we study the effect of different engraving configurations on detection characteristics of the scintillation light by the photosensors. We demonstrate that apart from cost-effectiveness and ease of application, SSLE treated scintillators have similar spatial resolution and superior sensitivity and packing fraction as compared to standard pixelated arrays, allowing for shorter crystals to be used. Flexibility of design is benchmarked and adoption of honeycomb architecture due to geometrical advantages is proposed. Furthermore, a variety of depth-of-interaction (DoI) designs are engraved and studied, greatly enhancing applicability in small field-of-view tomographs, such as the intended inserts. To adapt to this need, a novel approach for multi-layer DoI characterization has been developed and is demonstrated. Apart from crystal treatment, considerations on signal transmission and processing are addressed. A double time-over-threshold (ToT) method is proposed, using the statistics of noise in order to enhance precision. This method is tested and linearity results demonstrate applicability for multiplexed readout designs. A study on analog optical wireless communication (aOWC) techniques is also performed and proof of concept results presented. Finally, a ToT readout firmware architecture, intended for low-cost FPGAs, has been developed and is described. By addressing the potential development, applicability and merits of a range of transdisciplinary solutions, we demonstrate that with these techniques it is possible to construct lighter, smaller, lower consumption, cost-effective MRI compatible PET inserts. Those designs can make PET/MRI multimodality the dominant clinical and experimental imaging approach, enhancing researcher and physician insight to the mysteries of life.
dc.description.abstract La combinación multimodal de Tomografía por Emisión de Positrones con la Imagen de Resonancia Magnética (PET/MRI, de sus siglas en inglés) tiene clara ventajas en comparación con otras técnicas multimodales actualmente disponibles, dada su capacidad para registrar información funcional e información estructural con mucha precisión y repetibilidad. Sin embargo, esta técnica no acaba de penetrar en la práctica clínica debido en gran parte a alto coste. Las investigaciones que persiguen mejorar el desarrollo de insertos de PET basados en fotodetectores de silicio y compatibles con MRI, aunque han sido intensas y han generado soluciones ingeniosas, todavía no han conseguido encontrar las soluciones que necesita la industria. Sin embargo, existen opciones todavía sin explorar que podrían ayudar a evolucionar este tipo de insertos consiguiendo dispositivos más ligeros, baratos y con mejores prestaciones. Esta tesis profundiza en el estudio de grabación sub-superficie con láser (SSLE) para el diseño de los cristales centelladores usados en los sistemas PET. Para ello hemos caracterizado, medido y calibrado un procedimiento SSLE, y a continuación hemos estudiado el efecto que tienen sobre las especificaciones del detector las diferentes configuraciones del grabado. Demostramos que además de la rentabilidad y facilidad de uso de esta técnica, los centelladores SSLE tienen resolución espacial equivalente y sensibilidad y fracción de empaquetamiento superiores a las matrices de centelleo convencionales, lo que posibilita utilizar cristales más cortos para conseguir la misma sensibilidad. Estos diseños también permiten medir la profundidad de la interacción (DoI), lo que facilita el uso de estos diseños en tomógrafos de radio pequeño, como pueden ser los sistemas preclínicos, los dedicados (cabeza o mama) o los insertos para MRI. Además de trabajar en el tratamiento de cristal de centelleo, hemos considerado nuevas aproximaciones al procesamiento y transmisión de la señal. Proponemos un método innovador de doble medida de tiempo sobre el umbral (ToT) que integra una evaluación de la estadística del ruido con el propósito de mejorar la precisión. El método se ha validado y los resultados demuestran su viabilidad de uso incluso en conjuntos de señales multiplexadas. Un estudio de las técnicas de comunicación óptica analógica e inalámbrica (aOWC) ha permitido el desarrollo de una nueva propuesta para comunicar las señales del detector PET insertado en el gantry a un el procesador de señal externo, técnica que se ha validado en un demostrador. Finalmente, se ha propuesto y demostrado una nueva arquitectura de análisis de señal ToT implementada en firmware en FPGAs de bajo coste. La concepción y desarrollo de estas ideas, así como la evaluación de los méritos de las diferentes soluciones propuestas, demuestran que con estas técnicas es posible construir insertos de PET compatibles con sistemas MRI, que serán más ligeros y compactos, con un reducido consumo y menor coste. De esta forma se contribuye a que la técnica multimodal PET/MRI pueda penetrar en la clínica, mejorando la comprensión que médicos e investigadores puedan alcanzar en su estudio de los misterios de la vida.
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso eng
dc.rights Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España
dc.rights.uri http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/
dc.subject.other Positron emission tomography
dc.subject.other Magnetic Resonance Imaging
dc.subject.other PET/MRI
dc.subject.other Sub-surface laser engraving
dc.subject.other SSLE
dc.subject.other Scintillators
dc.title Application of novel technologies for the development of next generation MR compatible PET inserts
dc.type doctoralThesis
dc.subject.eciencia Biología y Biomedicina
dc.subject.eciencia Electrónica
dc.rights.accessRights openAccess
dc.description.degree Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática
dc.description.responsability Presidente: Andrés Santos Lleó.- Secretario: Luis Hernández Corporales.- Vocal: Giancarlo Sportelli
dc.contributor.departamento Universidad Carlos III de Madrid. Departamento de Bioingeniería e Ingeniería Aeroespacial
dc.contributor.departamento Hospital General Universitario "Gregorio Marañón
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