Small animal positron emission tomography systems

Abstract

The growing demand for PET scanners in preclinical studies combined with the high cost of those equipments increased the interest in the development of new high performance and low cost system, made possible due to the recent technological developments in the industry of radiation detection. Is this work, we present two low cost PET scanners. The first is the DRIM-PET, a PET scanner with improved spatial resolution through the determination of the depth-of-interaction of the photons in the detectors, correcting the parallax effect. The use of MPPCs and wavelength-shifting fibers for light detection allows to reduce the number of components, reducing the device cost. We present the performance characterization of an unitary cell of the DRIM-PET system, as a proof-of-concept, and we report a depth-of-interaction resolution of the order of 7mm. The other PET scanner presented is the EasyPET 3D, with capabilities of acquire volumetric images and execute spectroscopy. The use of a rotation system for the detecting cells allows to reduce the number of cells thus reducing the cost of the device, keeping high spatial resolution bellow 1.5mm, uniform along the FOV, which is variable up to 60mm. Image quality was evaluated using the NEMA NU-2008 standard, the commercial prototype for the first time shown and the first preclinical acquisitions are shown for 18F-FDG and 18F-NaF, for mouse brain and skeleton imaging, respectively. Finally, the development of a simulation toolkit written in GATE for the EasyPET prototype (2D), commercialized by the Italian company CAEN, SpA, allows students to perform simple tasks the simulate experimental procedures such as the evaluation of the effect of different coincidence time and energy windows for the reconstructed image, for radioactive sources at different locations within the FOV. The platform can be included in the official code EduGATE as a supplementary module.

A crescente procura por tomógrafos PET para estudos pré-clínicos aliada ao elevado custo destes equipamentos, fez aumentar o interesse no desenvolvimento de novos sistemas de elevada performance a baixo custo, possibilitados pelos novos desenvolvimentos tecnológicos na industria de deteção de radiação. Dois sistemas de baixo custo são apresentados no âmbito deste trabalho. O primeiro é o DRIM-PET, um tomógrafo PET com melhorada resolução espacial através da determinação do ponto de interação da radiação nos detetores. A correção do efeito de paralaxe é feita usando MPPCs e fibras conversoras de luz para deteção da luz, mantendo um reduzido número de detetores. É apresentada a caracterização experimental de uma célula unitária do DRIM-PET como prova de conceito, onde a resolução espacial na determinação do ponto de interação obtida é da ordem de 7mm. O outro tomógrafo PET apresentado é o EasyPET 3D, com capacidade de aquisição de imagens em 3D e espectroscopia de raios. O uso de um sistema de rotação das células detectoras para aquisição de imagens permite reduzir o número de células, mantendo elevada resolução em posição, da ordem de 1.5mm, para um campo de visão variável até 60mm, reduzindo o custo do equipamento. A qualidade de imagem do dispositivo foi avaliada usando a norma NEMA NU-2008, o protótipo comercial apresentado e as primeiras aquisições pré-clínicas com 18F-FDG e 18F-NaF apresentadas, em imagens do cérebro e do esqueleto em ratos, respetivamente. Finalmente, o desenvolvimento de uma plataforma de simulação para o primeiro sistema EasyPET (2D), comercializado pela empresa CAEN, SpA, permite que estudantes executem tarefas simples que simulam as aquisições experimentais, como o efeito de diferentes janelas de tempo e energia para a imagem reconstruida, para fontes radioativas colocadas em diferentes localizações no FOV. A plataforma pode ser incluída no pacote EduGATE como um módulo suplementar.