Development of high-resolution gamma cameras based on silicon photosensors

Abstract

The development of a compact gamma camera with high spatial resolution is of great interest in Nuclear Medicine as a means to increase the sensitivity of scintigraphy exams and thus allow the early detection of small tumours. Following the introduction of the wavelength-shifting fibre (WSF) gamma camera by Soares et al. and evolution of photodiodes into highly sensitive silicon photomultipliers (SiPMs), this thesis explores the development of a WSF gamma camera using SiPMs to obtain the position information of scintillation events in a continuous CsI(Na) crystal. The design is highly flexible, allowing the coverage of different areas and the development of compact cameras, with very small dead areas at the edges. After initial studies which confirmed the feasibility of applying SiPMs, a prototype with 5 5 cm2 was assembled and tested at room temperature, in an active field-of-view of 10 10 mm2. Calibration and characterisation of intrinsic properties of this prototype were done using 57Co, while extrinsic measurements were performed using a high-resolution parallel-hole collimator and 99mTc. In addition, a small mouse injected with a radiopharmaceutical was imaged with the developed prototype. Results confirm the great potential of SiPMs when applied in a WSF gamma camera, achieving spatial resolution performance superior to the traditional Anger camera. Furthermore, performance can be improved by an optimisation of experimental conditions, in order to minimise and control the undesirable effects of thermal noise and non-uniformity of response of multiple SiPMs. The development and partial characterisation of a larger SiPM WSF gamma camera with 10 10 cm2 for clinical application are also presented.

O desenvolvimento de uma câmara gama compacta com alta resolução espacial é de grande interesse em Medicina Nuclear, como meio de aumentar a sensibilidade dos exames de cintigrafia e assim permitir a deteção precoce de pequenos tumores. Na sequência da introdução da câmara gama com fibras óticas por Soares et al. e da evolução dos fotodiodos para fotomultiplicadores de silício (SiPMs) altamente sensíveis, esta tese explora o desenvolvimento de uma câmara gama com fibras óticas usando SiPMs para obter a informação da posição dos eventos de cintilação num cristal de CsI(Na) contínuo. O design é altamente flexível permitindo cobrir diferentes áreas e desenvolver câmaras compactas, com muito pouca área morta na periferia. Após testes iniciais que confirmaram a viabilidade da aplicação dos SiPMs, um protótipo com 5 5 cm2 foi montado e testado à temperatura ambiente, num campo de visão ativo de 10 10 mm2. A calibração e caracterização de propriedades intrínsecas deste protótipo foram efetuadas utilizando 57Co, enquanto que medições extrínsecas foram realizadas com um colimador de buracos paralelos de alta resolução e 99mTc. Adicionalmente, o protótipo desenvolvido foi usado para produzir a imagem de um ratinho injetado com um radiofármaco. Os resultados confirmam o grande potencial dos SiPMs quando aplicados numa câmara gama com fibras óticas, atingindo uma performance em resolução espacial superior à da câmara Anger tradicional. Além disso, a performance pode ser melhorada por uma otimização das condições experimentais, no sentido de minimizar e controlar os efeitos indesejáveis do ruído térmico e da não-uniformidade de resposta de múltiplos SiPMs. O desenvolvimento e caracterização parcial de uma câmara com 10 10 cm2 para aplicação clínica são também apresentados.