Aspectos metodológicos para la evaluación de sistemas de tomografía por emisión de positrones empleando técnicas Montecarlo, protocolos estandarizados y diferentes trazadores

Esta tesis analiza los elementos que afectan a la evaluación del rendimiento dentro de la técnica de radiodiagnóstico mediante tomografía por emisión de positrones (PET), centrándose en escáneres preclínicos. Se exploran las posibilidades de los protocolos estándar de evaluación sobre los siguientes aspectos: su uso como herramienta para validar programas de simulación Montecarlo, como método para la comparación de escáneres y su validez en el estudio del efecto sobre la calidad de imagen al utilizar radioisótopos alternativos. Inicialmente se estudian los métodos de evaluación orientados a la validación de simulaciones PET, para ello se presenta el programa GAMOS como entorno de simulación y se muestran los resultados de su validación basada en el estándar NEMA NU 4-2008 para escáneres preclínicos. Esta validación se ha realizado mediante la comparación de los resultados simulados frente a adquisiciones reales en el equipo ClearPET, describiendo la metodología de evaluación y selección de los parámetros NEMA. En este apartado también se mencionan las aportaciones desarrolladas en GAMOS para aplicaciones PET, como la inclusión de herramientas para la reconstrucción de imágenes. Por otro lado, la evaluación NEMA del ClearPET es utilizada para comparar su rendimiento frente a otro escáner preclínico: el sistema rPET-1. Esto supone la primera caracterización NEMA NU 4 completa de ambos equipos; al mismo tiempo que se analiza cómo afectan las importantes diferencias de diseño entre ellos, especialmente el tamaño axial del campo de visión y la configuración de los detectores. El 68Ga es uno de los radioisótopos no convencionales en imagen PET que está experimentando un mayor desarrollo, sin embargo, presenta la desventaja del amplio rango o distancia recorrida por el positrón emitido. Además del rango del positrón, otra propiedad física característica de los radioisótopos PET que puede afectar a la imagen es la emisión de fotones gamma adicionales, tal como le ocurre al isótopo 48V. En esta tesis se evalúan dichos efectos mediante estudios de resolución espacial y calidad de imagen NEMA. Finalmente, se analiza el alcance del protocolo NEMA NU 4-2008 cuando se utiliza para este propósito, adaptándolo a tal fin y proponiendo posibles modificaciones. Abstract This thesis analyzes the factors affecting the performance evaluation in positron emission tomography (PET) imaging, focusing on preclinical scanners. It explores the possibilities of standard protocols of assessment on the following aspects: their use as tools to validate Monte Carlo simulation programs, their usefulness as a method for comparing scanners and their validity in the study of the effect of alternative radioisotopes on image quality. Initially we study the methods of performance evaluation oriented to validate PET simulations. For this we present the GAMOS program as a simulation framework and show the results of its validation based on the standard NEMA NU 4-2008 for preclinical PET scanners. This has been accomplished by comparing simulated results against experimental acquisitions in the ClearPET scanner, describing the methodology for the evaluation and selection of NEMA parameters. This section also mentions the contributions developed in GAMOS for PET applications, such as the inclusion of tools for image reconstruction. Furthermore, the evaluation of the ClearPET scanner is used to compare its performance against another preclinical scanner, specifically the rPET-1 system. This is the first complete NEMA NU 4 based characterization study of both systems. At the same time we analyze how do the significant design differences of these two systems, especially the size of the axial field of view and the detectors configuration affect their performance characteristics. 68Ga is one of the unconventional radioisotopes in PET imaging the use of which is currently significantly increasing; however, it presents the disadvantage of the long positron range (distance traveled by the emitted positron before annihilating with an electron). Besides the positron range, additional gamma photon emission is another physical property characteristic of PET radioisotopes that can affect the reconstructed image quality, as it happens to the isotope 48V. In this thesis we assess these effects through studies of spatial resolution and image quality. Finally, we analyze the scope of the NEMA NU 4-2008 to carry out such studies, adapting it and proposing possible modifications.

A method for revealing phase space structures of general time dependent dynamical systems

In this paper we develop new techniques for revealing geometrical structures in phase space that are valid for aperiodically time dependent dynamical systems, which we refer to as Lagrangian descriptors. These quantities are based on the integration, for a finite time, along trajectories of an intrinsic bounded, positive geometrical and/or physical property of the trajectory itself. We discuss a general methodology for constructing Lagrangian descriptors, and we discuss a “heuristic argument” that explains why this method is successful for revealing geometrical structures in the phase space of a dynamical system. We support this argument by explicit calculations on a benchmark problem having a hyperbolic fixed point with stable and unstable manifolds that are known analytically. Several other benchmark examples are considered that allow us the assess the performance of Lagrangian descriptors in revealing invariant tori and regions of shear. Throughout the paper “side-by-side” comparisons of the performance of Lagrangian descriptors with both finite time Lyapunov exponents (FTLEs) and finite time averages of certain components of the vector field (“time averages”) are carried out and discussed. In all cases Lagrangian descriptors are shown to be both more accurate and computationally efficient than these methods. We also perform computations for an explicitly three dimensional, aperiodically time-dependent vector field and an aperiodically time dependent vector field defined as a data set. Comparisons with FTLEs and time averages for these examples are also carried out, with similar conclusions as for the benchmark examples.

Residuos orgánicos como fuentes de fósforo

En este trabajo, se han llevado a cabo distintos experimentos en laboratorio, con el objetivo de estudiar el efecto de la aplicación de residuos orgánicos como fuentes de P en las pérdidas de este elemento, que se producen en suelo, tanto por escorrentía superficial como por lixiviación. El interés por evaluar las pérdidas de P se debe a la necesidad de conocer mejor los factores que influyen en los procesos de pérdidas de este elemento y así, poder reducir los problemas de eutrofización de aguas, tanto superficiales como subterráneas, provocadas por un exceso de este nutriente, junto con otros como el nitrógeno. Los trabajos experimentales que se han llevado a cabo se detallan a continuación: Se ha realizado el estudio de las formas de P contenidas en una serie de 14 residuos orgánicos, de distinto origen y tratamiento (compost, lodos, purines y digestato), comparando la información aportada por tres protocolos de fraccionamientos de P diferentes, seleccionados entre los principales métodos utilizados: protocolo de fraccionamiento de Ruttemberg (1992), protocolo de Normas, medidas y ensayos (Ruban et al., 2001a) y protocolo de Huang et al. (2008). Todos los métodos de fraccionamiento empleados aportaron información útil para conocer las formas de P de los residuos, a pesar de que alguno de ellos fue descrito para sedimentos o suelos. Sin embargo, resulta difícil comparar los resultados entre unos y otros, ya que cada uno emplea extractantes y tiempos de ensayos diferentes. Las cantidades de P total determinadas por cada método mantienen una relación lineal, aunque el método SMT, por ser más directo, obtiene las cantidades más elevadas para todos los residuos. Los métodos secuenciales (métodos de Huang y Ruttemberg), a pesar de ser más largos y tediosos, aportan información más detallada de la disponibilidad de las formas de P, y con ello, permiten obtener una mejor estimación de las pérdidas potenciales de este elemento tras su aplicación en suelo. Se han encontrado relaciones positivas entre las fracciones determinadas por estos dos métodos. Así mismo, se encuentra una correlación entre las formas solubles de P y la concentración de los iones [Ca + Fe + Al] de los residuos, útiles como indicadores de la disponibilidad de este elemento. Sin embargo, el protocolo SMT, no obtiene información de la solubilidad o disponibilidad de las formas de P contenidas, ni las formas determinadas mantienen relaciones directas con las de los otros métodos, con excepción del P total. Para el estudio del comportamiento de los residuos aplicados en suelos, se pusieron a punto sistemas de lluvia simulada, con el objetivo de caracterizar las pérdidas de P en la escorrentía superficial generada. Por otra parte, se emplearon columnas de suelos enmendados con residuos orgánicos, para el estudio de las pérdidas de P por lixiviación. Los ensayos de simulación de lluvia se llevaron a cabo de acuerdo al “National Phosphorus Research proyect“ (2001), que consigue simular eventos sucesivos de lluvia en unas condiciones semejantes a la realidad, empleando cajas llenas de suelo del horizonte superficial, con residuos aplicados tanto superficialmente como mediante mezcla con el propio suelo. Los ensayos se realizaron con seis residuos de diferente naturaleza y sometidos a distintos tratamientos. Se encontraron diferencias significativas en las pérdidas de las formas de P analizadas, tanto disueltas como particuladas, en las aguas de escorrentía generadas. En general, las pérdidas en el primer evento de lluvia tras la aplicación de los residuos fueron mayores a las generadas en el segundo evento, predominando las formas de P particuladas respecto a las disueltas en ambos. Se encontró una relación positiva entre las pérdidas de P en las aguas de escorrentía generadas en cada ensayo, con los contenidos de P soluble en agua y fácilmente disponible de los residuos empleados, determinados por los protocolos de fraccionamientos secuenciales. Además, se emplearon los modelos matemáticos desarrollados por Vadas et al. (2005, 2007), de evaluación de las pérdidas de P por escorrentía para fertilizantes y estiércoles. La predicción de estos modelos no se cumple en el caso de todos los residuos. Las distintas propiedades físicas de los residuos pueden afectar a las diferencias entre las pérdidas experimentales y las esperadas. Los ensayos de simulación del proceso de lixiviación se llevaron a cabo en columnas de percolación, con suelos enmendados con residuos orgánicos, de acuerdo a la norma “CEN/TS 14405–2004: Caracterización de los residuos – Test de comportamiento de lixiviación – Test de flujo ascendente”. Las pérdidas de P por procesos de lixiviación de agua, han sido despreciadas durante mucho tiempo respecto a las pérdidas por escorrentía. Sin embargo, se ha demostrado que deben tenerse en consideración, principalmente en algunos tipos de suelos o zonas cercanas a acuíferos. Se utilizaron tres suelos de distinta procedencia para los ensayos, de manera que se pudo estudiar la influencia del tipo de suelo en las pérdidas de P para cada tipo de residuo (purín, compost, digestato y lodo de EDAR). Los índices de adsorción de P determinados para cada suelo permiten evaluar aquellos que presentarán más riesgo de producir pérdidas de este elemento al aplicarse fuentes externas de P, encontrando una relación positiva entre ambos. Las pérdidas de P en los lixiviados varían en función tanto del residuo como del suelo empleado. Para el compost, el purín y el lodo, se encontró una relación entre las pérdidas generadas en el agua lixiviada de las columnas y las formas de P soluble contenidas en los residuos. Sin embargo, en el caso del digestato, no existía esta correlación. Las pérdidas para este residuo fueron en todos los casos menores a las estimadas, considerando las formas de P contenido. El estudio de la mojabilidad, propiedad física del residuo que evalúa la capacidad de interacción residuo-agua, permitió explicar el comportamiento anómalo de este residuo, con una mayor resistencia a que el agua entrara en su estructura y por tanto, una mayor dificultad de solubilizar el P contenido en el propio residuo, que en el caso de otros residuos. En general, podemos considerar que el estudio de las formas de P más disponibles o solubles en agua, aporta información útil de las pérdidas potenciales de P. Sin embargo, es necesario estudiar las propiedades físicas de los residuos orgánicos aplicados y la capacidad de adsorción de P de los suelos, para estimar las pérdidas de P y con ello, colaborar a controlar los procesos de eutrofización en aguas. ABSTRACT This dissertation explores the effect of organic wastes application as sources of P in losses of this element that occur by both surface runoff and leaching in soil. To do so, diverse laboratory experiments are conducted and presented here. Evaluating P losses is necessary to better understand the factors that influence the processes behind the loss of this element. Reducing P losses reduces eutrophication problems of both surface water and groundwater caused by an excess of this nutrient, along with other as nitrogen. Details of the experiments are presented below: The first experiment studies the forms of P contained in a series of 14 organic wastes of different origin and treatment (compost, sludge, slurry and digestate), comparing the information provided by three methods of P fractionation. The methods selected were: Ruttemberg protocol (1992); Standards, Measurements and Testing protocol (Ruban et al., 2001a); and Huang protocol (Huang et al., 2008). All fractionation methods employed successfully contribute to our knowledge of P forms in wastes, even though one of them was originally described for sediments or soils information. However, it is difficult to compare results among each other, as each protocol employs different extractants and time in the trials. Total amounts of P obtained by each method show a linear relationship, although the SMT method, which is more direct, obtains the highest amounts for all residues. Sequential methods (Huang and Ruttemberg’s protocols), despite being longer and more tedious, provide more detailed information on the availability of the forms of P. Therefore, allow the estimation of the potential losses of P after application in soil. Furthermore, positive relationships have been found among fractions obtained by these methods. Positive relationship has been found also among soluble forms of P and the concentration of ions Fe + Ca + Al, which is useful as an indicator of the availability of this element. However, the SMT protocol does not collect information about solubility or availability of forms of P contained; neither do certain forms maintain direct relations with the forms from other methods, with the exception of total P methods. To study the behavior of wastes applied to soils two experiments were conducted. Simulated rain systems were prepared to characterize P losses in the surface runoff generated. In addition, columns of soils amended with organic waste were developed for the study of P leaching losses. Simulated rain systems were carried out according to the ’National Phosphorus Research Project’ (2001), which manages to simulate successive rainfall events in conditions resembling reality. The experiment uses boxes filled with soil from the surface horizon amended with residues, both superficially and by mixing with the soil. Tests were conducted with six residues of different type and subjected to diverse treatments. Findings show significant differences in losses of the P forms analyzed in the generated runoff water, in both solution and particulate forms. In general, losses in the first rainfall event after application of waste were higher than the losses generated in the second event, predominating particulate forms of P over dissolved forms in both events. In all trials, a positive relationship was found between various P forms determined by sequential fractionation protocols (water soluble P and readily available P forms) and P losses in runoff. Furthermore, results from Vadas´s mathematical models (Vadas et al., 2005; 2007) to assess P losses by runoff fertilizers and manures indicate that the prediction of this model is not fulfilled in the case of all residues. The diverse physical properties of wastes may affect the differences between experimental and expected losses. Finally, leaching simulation processes were carried out in percolation columns, filled with soils amended with organic wastes, following the ‘CEN/TS 14405-2004 standard: Characterization of waste - Leaching behavior test - Test Flow ascending ’. P losses by leaching have been neglected for a long time with respect to runoff losses. However, findings corroborate previous studies showing that these P losses have to be taken into account, especially in certain types of soils and in zones near aquifers. To study the influence of soil type on P losses, experiments were carried out with three different soils and for each type of waste (manure, compost, digestate and sludge WWTP). Each soil’s P adsorption rates allow assessing which soils imply a higher risk of P losses when external sources of P are applied. P losses in leachate vary according to the type of soil employed and according to the specific residue. In the case of compost, manure and sludge, there is a relationship between leaching losses and residues’ soluble forms of P. The exception being the digestate, where there was no such correlation. Digestate P losses by leaching were lower than expected in all cases considering the forms of P contained. Moreover, examining digestate wettability -- that is, the physical property of the residue that assesses the capacity of waste-water interaction -- allowed explaining the anomalous behavior of this residue. Digestate has a high resistance to water entering its structure and thus higher difficulty to solubilize the P contained. Overall, studying the more available or soluble P forms provides useful information about the potential loss of P. However, this dissertation shows that it is necessary to examine the physical properties of organic residues applied as well as the P adsorption capacity of soils to estimate P losses, and thus to control eutrophication in water.