New scintillators for nuclear medecine
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| Data de Publicação: | 2013 |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Idioma: | eng |
| Título da fonte: | Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| Texto Completo: | http://hdl.handle.net/10451/10704 |
Resumo: | Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica), apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013 |
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New scintillators for nuclear medecineTime of flight PETFotãoGarnetLYSODetectorTeses de mestrado - 2013Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica), apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013Um equipamento de Tomografia por Emissão de Positrões (PET) é um equipamento utilizado em imagiologia médica que recorre à introdução de radiofármacos que emitam positrões, no interior do corpo do paciente. Os positrões são rapidamente aniquilados quado em contacto com electrões, emitindo neste processo dois fotões com uma energia de 511 keV (radiação-γ) que viajam em direcções opostas e serão detectados no anel de detectores presente dos equipamentos de PET. O percurso realizado por cada par de fotões é denominado linha de resposta (LoR). É a informação de múltiplas LoR que permitem a reconstrução e obtenção da imagem em PET. Os radiofármacos utilizados apresentam características semelhantes à glucose, permitindo assim o seu alojamento e consequente detecção em locais onde o metabolismo é mais elevado. O elevado metabolismo está frequentemente associado a doenças oncológicas, sendo esta a principal utilização do equipamento de PET. Actualmente os equipamentos de PET mais modernos utilizam, em conjunto com a LoR, a informação do tempo de voo de cada um dos fotões, originado assim os scanners de Time of Flight (TOF) PET. A utilização do tempo de voo é realizada através da diferença de tempo registada entre a detecção de cada fotão no anel de detectores. Essa diferença de tempo é posteriormente utilizada para calcular a posição da aniquilação através da fórmula: ∆x = c(t1 – t2)/2. As vantagens da utilização de TOF PET são a redução do ruído e uma maior precisão na imagem. O uso da informação do tempo de voo permite também a redução da dose de radionuclídeo utilizada em cada exame, já que para a reconstrução da imagem são necessárias menos contagens. Este facto leva também a que o tempo de exame menor. A principal diferença entre um equipamento de PET convencional e um equipamento TOF PET encontra-se nos detectores utilizados, sendo cada um destes detectores constituído por um cintilador e por um fotodetector. O cintilador tem a função de converter a radiação proveniente do paciente em radiação visível que será posteriormente detectada e convertida num sinal mensurável no fotodetector. Os desafios da utilização de TOF PET prendem-se com a resolução temporal dos detectores. Os detectores utilizados hoje em dia possuem uma resolução temporal de ~500ps, o que equivale a uma resolução espacial de ~7.5cm. Esta resolução espacial está longe de permitir que um scanner utilize exclusivamente a informação do tempo de voo num exame, sendo portanto necessário incluir esta informação nos métodos de reconstrução convencionais, para gera assim uma imagem melhor. Para além desta característica, os cintiladores utilizados em PET são muito caros. O trabalho realizado na Philips Research Eindhoven teve como objectivo encontrar novos cintiladores que apresentassem uma eficiência tão próxima quanto possível dos cintiladores utilizados hoje em dia em Time of Flight (TOF) PET e que apresentassem um custo de produção mais baixo. Para termos de comparação de resultados foram utilizados os cristais de LYSO, presentes nos sistemas da Philips e os cristais produzidos por uma empresa concorrente, os Furukawa. Nesta investigação foram utilizados cintiladores cerâmicos, em contraponto aos cristais únicos utilizados hoje em dia nos sistemas de PET (LYSO, GSO e LSO). A grande diferença entre estes dois tipos de cintiladores é a estrutura, já que um cristal único apresenta uma estrutura cristalina única e uma cerâmica/garnet é o resultado de uma agregação de várias estruturas microscristalinas. No entanto o princípio de acção de ambos é semelhante. Os testes realizados incluíram dois tipos diferentes de medições, com diferentes fotodetectores. O primeiro tipo de medições era efectuado em PMTs à temperatura ambiente. As medições nos PMTs eram efectuadas para avaliar o tempo de decaimento de cada cristal/disco/pó, já que foram feitas análises aos três estágios das cerâmicas para tentar avaliar a relação existente entre eles. Para uma maior eficácia na análise dos resultados foi inserido o cálculo do tempo de decaimento efectivo (Ʈ eff=Npmt(0))Este parâmetro foi ambém utilizado para estimar os valores de CRT de cada cristal medido. O outro tipo de medições realizado foi realizado com arrays de 8x8 cristais em acoplados a um fotodetector digital de silicone, sendo que os anel exterior do array era constituído por duas filas de cristais de LYSO e no centro eram colocados os garnets que se pretendiam medir. Em ambos os casos as medições foram realizadas em coincidência para que fossem reproduzidas as condições encontradas num scanner real. As medições com os d-SiPMs foram realizadas numa câmara climática a 5ºC para optimizar a eficiência do detector. Esta temperatura mais baixa não devia afectar o desempenho do cintilador. A principal diferença entre um PMT e um d-SiPM é a digitalização do sinal logo após a detecção que ocorre no segundo detector. Isto permite que o sinal possa ser lido mais rápido e com um menor ruído devido à utilização de trigger levels que permite eliminar contagens aleatórias (Dark counts) que ocorram durante a aquisição do sinal. Um outro mecanismo utilizado para melhorar o sinal destes fotodetectores é a realização de um dark count map, que bloqueia a aquisição das contagens das células do detector que contenham um maior número de contagens aleatórias. As medições com PMTs permitiram também identificar a presença em todas as amostras de componentes lentas de decaimento/afterglow. No entanto para estimar o valor de CRT foi utilizada apenas a primeira componente de decaimento, já que esta é a que mais contribui para o valor absoluto deste parâmetro. A principal diferença entre os garnets que foram medidos era a sua composição. A principal diferença entre as amostras deu-se ao nível da composição dos garnets. Estas alterações incidiram essencialmente na concentração de Ga (entre 2 e 3 mol) e de Ce (entre 0.2 e 1.2% em proporção à concentração de Ga), já que as componentes de Al e Gd desempenhavam principalmente funções estruturais e o Lu foi utilizado devido à sua elevada absorção. Os resultados obtidos demonstraram uma grande influência da concentração de Ga na CRT dos cintadores, verificando-se que com o aumento da concentração de Ga, tanto o tempo de decaimento, como o CRT diminuíam, verificando-se assim a dependência que o CR tem em relação ao tempo de decaimento. Os valores de CRT observados variaram entre 572 e os 1502ps, sendo os melhores valores de CRT obtidos com [Ga]=3 e os piores com [Ga]=2. Esta diminuição era também acompanhada por uma diminuição do LO, que variaram entre 500 e os 2000 fotões ópticos. Esta diminuição veio também demonstrar a relação existente entre o LO e dE/E. Quanto maior o LO, maior o dE/E. Em relação ao aumento da concentração de Ce verificou-se que quanto maior esta fosse, menor seria o CRT, no entanto este efeito não é tão evidente como o efeito da concentração de Ga. Os principais problemas observados nos garnets correspondiam à presença de um elevado afterglow, bem como à falta de transparência de algumas amostras, que pode ser em parte explicada pelo método pouco industrializado utilizado na sua construção. Simultaneamente com o estudo do efeito da composição dos garnets foi também testada uma teoria para estimar os valores de CRT verificando-se que apesar de algumas discrepâncias a tendência geral das medições está de acordo com a literatura. Considerando os resultados obtidos pode considerar-se que o objectivo de encontrar um garnet que pudesse substituir os cintiladores actualmente utilizados foi alcançado, apesar de ainda ser necessária alguma investigação num contexto mais industrializado.The use TOF PET brings some challenges to the medical industry, since these scanners require that the scintillators used have a specific set of characteristics, but most of all they need to be fast (low coincidence resolving (CRT) and low decay time) and as less expensive as possible. In this context lately the research had been focusing on ways to introduce ceramics in this field. The focus of this work was the study of changing the concentration of some components in ceramics built using Lu, Ce, Ga, Al and Gd. The measurements were made using PMTs to measure the decay time in powders/disks/single crystals and d-SiPMs to measure CRT, Light Output (LO) and energy resolution (dE/E) arrays built with LYSO and garnets. In the PMTs it was observed the presence of a slow component in the decay time in every sample. To precisely measure decay time it was introduced the effective decay time: (Ʈ eff=Npmt(0)). The values of Ʈ eff were between ~70 and 210ns, being the decay time lower with higher [Ga]. In d-SiPM it was verified that the higher the amount of Ga the lower is the CRT and the lower is the LO. The values of CRT were between 572 and 1502ps, and the LO between 500 and 2000 optical photons. The tradeoff presents a future challenge since it compromises the dE/E of the ceramic. The change in Ce was similar to the one verified in Ga. The other elements have mainly structural purposes.Wieczorek, HerfriedAlmeida, Pedro Miguel Dinis de, 1968-Repositório da Universidade de LisboaAzinheiro, Rui Gonçalo2014-03-10T10:59:24Z20132013-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/10704TID:201291541enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T15:56:23Zoai:repositorio.ul.pt:10451/10704Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:34:38.957668Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse |
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