Detectores monolíticos y sensores compatibles con altos campos magnéticos para tomografía por emisión de positrones

Esta tesis recoje un trabajo experimental centrado en profundizar sobre el conocimiento de los bloques detectores monolíticos como alternativa a los detectores segmentados para tomografía por emisión de positrones (Positron Emission Tomography, PET). El trabajo llevado a cabo incluye el desarrollo, la caracterización, la puesta a punto y la evaluación de prototipos demostradores PET utilizando bloques monolíticos de ortosilicato de lutecio ytrio dopado con cerio (Cerium-Doped Lutetium Yttrium Orthosilicate, LYSO:Ce) usando sensores compatibles con altos campos magnéticos, tanto fotodiodos de avalancha (Avalanche Photodiodes, APDs) como fotomultiplicadores de silicio (Silicon Photomultipliers, SiPMs). Los prototipos implementados con APDs se construyeron para estudiar la viabilidad de un prototipo PET de alta sensibilidad previamente simulado, denominado BrainPET. En esta memoria se describe y caracteriza la electrónica frontal integrada utilizada en estos prototipos junto con la electrónica de lectura desarrollada específicamente para los mismos. Se muestran los montajes experimentales para la obtención de las imágenes tomográficas PET y para el entrenamiento de los algoritmos de red neuronal utilizados para la estimación de las posiciones de incidencia de los fotones γ sobre la superficie de los bloques monolíticos. Con el prototipo BrainPET se obtuvieron resultados satisfactorios de resolución energética (13 % FWHM), precisión espacial de los bloques monolíticos (~ 2 mm FWHM) y resolución espacial de la imagen PET de 1,5 - 1,7 mm FWHM. Además se demostró una capacidad resolutiva en la imagen PET de ~ 2 mm al adquirir simultáneamente imágenes de fuentes radiactivas separadas a distancias conocidas. Sin embargo, con este prototipo se detectaron también dos limitaciones importantes. En primer lugar, se constató una falta de flexibilidad a la hora de trabajar con un circuito integrado de aplicación específica (Application Specific Integrated Circuit, ASIC) cuyo diseño electrónico no era propio sino comercial, unido al elevado coste que requieren las modificaciones del diseño de un ASIC con tales características. Por otra parte, la caracterización final de la electrónica integrada del BrainPET mostró una resolución temporal con amplio margen de mejora (~ 13 ns FWHM). Tomando en cuenta estas limitaciones obtenidas con los prototipos BrainPET, junto con la evolución tecnológica hacia matrices de SiPM, el conocimiento adquirido con los bloques monolíticos se trasladó a la nueva tecnología de sensores disponible, los SiPMs. A su vez se inició una nueva estrategia para la electrónica frontal, con el ASIC FlexToT, un ASIC de diseño propio basado en un esquema de medida del tiempo sobre umbral (Time over Threshold, ToT), en donde la duración del pulso de salida es proporcional a la energía depositada. Una de las características más interesantes de este esquema es la posibilidad de manejar directamente señales de pulsos digitales, en lugar de procesar la amplitud de las señales analógicas. Con esta arquitectura electrónica se sustituyen los conversores analógicos digitales (Analog to Digital Converter, ADCs) por conversores de tiempo digitales (Time to Digital Converter, TDCs), pudiendo implementar éstos de forma sencilla en matrices de puertas programmable ‘in situ’ (Field Programmable Gate Array, FPGA), reduciendo con ello el consumo y la complejidad del diseño. Se construyó un nuevo prototipo demostrador FlexToT para validar dicho ASIC para bloques monolíticos o segmentados. Se ha llevado a cabo el diseño y caracterización de la electrónica frontal necesaria para la lectura del ASIC FlexToT, evaluando su linealidad y rango dinámico, el comportamiento frente a ruido así como la no linealidad diferencial obtenida con los TDCs implementados en la FPGA. Además, la electrónica presentada en este trabajo es capaz de trabajar con altas tasas de actividad y de discriminar diferentes centelleadores para aplicaciones phoswich. El ASIC FlexToT proporciona una excelente resolución temporal en coincidencia para los eventos correspondientes con el fotopico de 511 keV (128 ps FWHM), solventando las limitaciones de resolución temporal del prototipo BrainPET. Por otra parte, la resolución energética con bloques monolíticos leidos por ASICs FlexToT proporciona una resolución energética de 15,4 % FWHM a 511 keV. Finalmente, se obtuvieron buenos resultados en la calidad de la imagen PET y en la capacidad resolutiva del demostrador FlexToT, proporcionando resoluciones espaciales en el centro del FoV en torno a 1,4 mm FWHM. ABSTRACT This thesis is focused on the development of experimental activities used to deepen the knowledge of monolithic detector blocks as an alternative to segmented detectors for Positron Emission Tomography (PET). It includes the development, characterization, setting up, running and evaluation of PET demonstrator prototypes with monolithic detector blocks of Cerium-doped Lutetium Yttrium Orthosilicate (LYSO:Ce) using magnetically compatible sensors such as Avalanche Photodiodes (APDs) and Silicon Photomultipliers (SiPMs). The prototypes implemented with APDs were constructed to validate the viability of a high-sensitivity PET prototype that had previously been simulated, denominated BrainPET. This work describes and characterizes the integrated front-end electronics used in these prototypes, as well as the electronic readout system developed especially for them. It shows the experimental set-ups to obtain the tomographic PET images and to train neural networks algorithms used for position estimation of photons impinging on the surface of monolithic blocks. Using the BrainPET prototype, satisfactory energy resolution (13 % FWHM), spatial precision of monolithic blocks (~ 2 mm FWHM) and spatial resolution of the PET image (1.5 – 1.7 mm FWHM) in the center of the Field of View (FoV) were obtained. Moreover, we proved the imaging capabilities of this demonstrator with extended sources, considering the acquisition of two simultaneous sources of 1 mm diameter placed at known distances. However, some important limitations were also detected with the BrainPET prototype. In the first place, it was confirmed that there was a lack of flexibility working with an Application Specific Integrated Circuit (ASIC) whose electronic design was not own but commercial, along with the high cost required to modify an ASIC design with such features. Furthermore, the final characterization of the BrainPET ASIC showed a timing resolution with room for improvement (~ 13 ns FWHM). Taking into consideration the limitations obtained with the BrainPET prototype, along with the technological evolution in magnetically compatible devices, the knowledge acquired with the monolithic blocks were transferred to the new technology available, the SiPMs. Moreover, we opted for a new strategy in the front-end electronics, the FlexToT ASIC, an own design ASIC based on a Time over Threshold (ToT) scheme. One of the most interesting features underlying a ToT architecture is the encoding of the analog input signal amplitude information into the duration of the output signals, delivering directly digital pulses. The electronic architecture helps substitute the Analog to Digital Converters (ADCs) for Time to Digital Converters (TDCs), and they are easily implemented in Field Programmable Gate Arrays (FPGA), reducing the consumption and the complexity of the design. A new prototype demonstrator based on SiPMs was implemented to validate the FlexToT ASIC for monolithic or segmented blocks. The design and characterization of the necessary front-end electronic to read-out the signals from the ASIC was carried out by evaluating its linearity and dynamic range, its performance with an external noise signal, as well as the differential nonlinearity obtained with the TDCs implemented in the FPGA. Furthermore, the electronic presented in this work is capable of working at high count rates and discriminates different phoswich scintillators. The FlexToT ASIC provides an excellent coincidence time resolution for events that correspond to 511 keV photopeak (128 ps FWHM), resolving the limitations of the poor timing resolution of the BrainPET prototype. Furthermore, the energy resolution with monolithic blocks read by FlexToT ASICs provides an energy resolution of 15.4 % FWHM at 511 keV. Finally, good results were obtained in the quality of the PET image and the resolving power of the FlexToT demonstrator, providing spatial resolutions in the centre of the FoV at about 1.4 mm FWHM.