[ES] La tomografía por emisión de positrones (PET, del inglés Positron Emission Tomography) es una técnica de medicina nuclear en la que se genera una imagen a partir de la detección de rayos gamma en coincidencia. Estos rayos son producidos dentro de un paciente al que se le inyecta una radiotrazador emisor de positrones, los cuales se aniquilan con electrones del medio circundante. El proceso de adquisición de eventos de interacción, tiene como unidad central el detector del escáner PET, el cual se compone a su vez de un cristal de centelleo, encargado de transformar los rayos gamma incidentes en fotones ópticos dentro del cristal. La finalidad es entonces, determinar las coordenadas de impacto dentro del cristal de centelleo con la mayor precisión posible, para que, a partir de dichos puntos, se pueda reconstruir una imagen. A lo largo de la historia, los detectores basados en cristales pixelados han representado la elección por excelencia para la la fabricación de escáneres PET. En está tesis se evalúa el impacto en la resolución espacial del escáner PET MINDView, desarrollado dentro del séptimo programa Marco de la Unión Europea No 603002, el cual se basa en el uso de cristales monolíticos. El uso de cristales monolíticos, facilita la determinación de la profundidad de interacción (DOI - del inglés Depth Of Interaction) de los rayos gamma incidentes, aumenta la precisión en las coordenadas de impacto determinadas, y disminuye el error de paralaje que se induce en cristales pixelados, debido a la dificultad para determinar la DOI. En esta tesis, hemos logrado dos objetivos principales relacionados con la medición de la resolución espacial del escáner MINDView: la adaptación del un algoritmo de STIR de Retroproyección Filtrada en 3D (FBP3DRP - del inglés Filtered BackProjection 3D Reproyected) a un escáner basado en cristales monolíticos y la implementación de un algoritmo de Retroproyección y filtrado a posteriori (BPF - BackProjection then Filtered). Respecto a la adaptación del algoritmo FBP, las resoluciones espaciales obtenidas varían en los intervalos [2 mm, 3,4 mm], [2,3 mm, 3,3 mm] y [2,2 mm, 2,3 mm] para las direcciones radial, tangencial y axial, respectivamente, en el primer prototipo del escáner MINDView dedicado a cerebro. Por otra parte, en la implementación del algoritmo de tipo BPF, se realizó una adquisición de un maniquí de derenzo y se comparó la resolución obtenida con el algoritmo de FBP y una implementación del algoritmo de subconjuntos ordenados en modo lista (LMOS - del inglés List Mode Ordered Subset). Mediante el algoritmo de tipo BPF se obtuvieron valores pico-valle de 2.4 a lo largo de los cilindros del maniquí de 1.6 mm de diámetro, en contraste con las medidas obtenidas de 1.34 y 1.44 para los algoritmos de FBP3DRP y LMOS, respectivamente. Lo anterior se traduce en que, mediante el algoritmo de tipo BPF, se logra mejorar la resolución para obtenerse un valor promedio 1.6 mm. / [CAT] La tomografia per emissió de positrons és una tècnica de medicina nuclear en la qual es genera una imatge a partir de la detecció de raigs gamma en coincidència. Aquests raigs són produïts dins d'un pacient a què se li injecta una radiotraçador emissor de positrons, els quals s'aniquilen amb electrons de l'medi circumdant. El procés de adquición d'esdeveniments d'interacció, té com a unitat central el detector de l'escàner PET, el qual es compon al seu torn d'un vidre de centelleig, encarregat de transformar els raigs gamma incidents en fotons òptics dins el vidre. La finalitat és llavors, determinar les coordenades d'impacte dins el vidre de centelleig amb la major precisió possible, perquè, a partir d'aquests punts, es pugui reconstruir una imatge. Al llarg de la història, els detectors basats en cristalls pixelats han representat l'elecció per excellència per a la la fabricació d'escàners PET. En aquesta tesi s'avalua l'impacte en la resolució espacial de l'escàner PET MINDView, desenvolupat dins el setè programa Marc de la Unió Europea No 603.002, el qual es basa en l'ús de vidres monolítics. L'ús de vidres monolítics, facilita la determinació de la profunditat d'interacció dels raigs gamma incidents, augmenta la precisió en les coordenades d'impacte determinades, i disminueix l'error de parallaxi que s'indueix en cristalls pixelats, a causa de la dificultat per determinar la DOI. En aquesta tesi, hem aconseguit dos objectius principals relacionats amb el mesurament de la resolució espacial de l'escàner MINDView: l'adaptació de l'un algoritme de STIR de Retroprojecció Filtrada en 3D a un escàner basat en cristalls monolítics i la implementació d'un algoritme de Retroprojecció i filtrat a posteriori. Pel que fa a l'adaptació de l'algoritme FBP3DRP, les resolucions espacials obtingudes varien en els intervals [2 mm, 3,4 mm], [2,3 mm, 3,3 mm] i [2,2 mm, 2,3 mm] per les direccions radial, tangencial i axial, respectivament, en el primer prototip de l'escàner MINDView dedicat a cervell. D'altra banda, en la implementació de l'algoritme de tipus BPF, es va realitzar una adquisició d'un maniquí de derenzo i es va comparar la resolució obtinguda amb l'algorisme de FBP3DRP i una implementació de l'algoritme de subconjunts ordenats en mode llista (LMOS - de l'anglès List Mode Ordered Subset). Mitjançant l'algoritme de tipus BPF es van obtenir valors pic-vall de 2.4 al llarg dels cilindres de l'maniquí de 1.6 mm de diàmetre, en contrast amb les mesures obtingudes de 1.34 i 1.44 per als algoritmes de FBP3DRP i LMOS, respectivament. L'anterior es tradueix en que, mitjançant l'algoritme de tipus BPF, s'aconsegueix millorar la resolució per obtenir-se un valor mitjà 1.6 mm. / [EN] Positron Emission Tomography (PET) is a medical imaging technique, in which an image is generated from the detection of gamma rays in coincidence. These rays are produced within a patient, who is injected with a positron emmiter radiotracer, from which positrons are annihilated with electrons in the media. The event acquisition process is focused on the scanner detector. The detector is in turn composed of a scintillation crystal, which transform the incident ray gamma into optical photons within the crystal. The purpose is then to determine the impact coordinates within the scintillation crystal with the greatest possible precision, so that, from these points, an image can be reconstructed. Throughout history, detectors based on pixelated crystals have represented the quintessential choice for PET scanners manufacture. This thesis evaluates the impact on the spatial resolution of the MINDView PET scanner, developed in the seventh Framework program of the European Union No. 603002, which detectors are based on monolithic crystals. The use of monolithic crystals facilitates the determination of the depth of interaction (DOI - Depth Of Interaction) of the incident gamma rays, increases the precision in the determined impact coordinates, and reduces the parallax error induces in pixelated crystals, due to the difficulties in determining DOI. In this thesis, we have achieved two main goals related to the measurement of the spatial resolution of the MINDView PET scanner: the adaptation of an STIR algorithm for Filtered BackProjection 3D Reproyected (FBP3DRP) to a scanner based on monolithic crystals, and the implementation of a BackProjection then Filtered algorithm (BPF). Regarding the FBP algorithm adaptation, we achieved resolutions ranging in the intervals [2 mm, 3.4 mm], [2.3 mm, 3.3 mm] and [2.2 mm, 2.3 mm] for the radial, tangential and axial directions, respectively. On the an acquisition of a derenzo phantom was performed to measure the spacial resolution, which was obtained using three reconstruction algorithms: the BPF-type algorithm, the FBP3DRP algorithm and an implementation of the list-mode ordered subsets algorithm (LMOS). Regarding the BPF-type algorithm, a peak-to-valley value of 2.4 were obtain along rod of 1.6 mm, in contrast to the measurements of 1.34 and 1.44 obtained for the FBP3DRP and LMOS algorithms, respectively. This means that, by means of the BPF-type algorithm, it is possible to improve the resolution to obtain an average value of 1.6 mm. / Sánchez Góez, S. (2020). Algoritmo de reconstrucción analítico para el escáner basado en cristales monolíticos MINDView [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159259 / TESIS

Tesis por compendio / [ES] La Tomografía por Emisión de Positrones (PET) es una de las técnicas más importantes en la medicina de diagnóstico actual y la más representativa en el campo de la Imagen Molecular. Esta modalidad de imagen es capaz de producir información funcional única, que permite la visualización en detalle, cuantificación y conocimiento de una variedad de enfermedades y patologías. Áreas como la oncología, neurología o la cardiología, entre otras, se han beneficiado en gran medida de esta técnica. A pesar de que un elevado número de avances han ocurrido durante el desarrollo del PET, existen otros que son de gran interés para futuras investigaciones. Uno de los principales pilares actualmente en PET, tanto en investigación como en desarrollo, es la obtención de la información del tiempo de vuelo (TOF) de los rayos gamma detectados. Cuando esto ocurre, aumenta la sensibilidad efectiva del PET, mejorando la calidad señal-ruido de las imágenes. Sin embargo, la obtención precisa de la marca temporal de los rayos gamma es un reto que requiere, además de técnicas y métodos específicos, compromisos entre coste y rendimiento. Una de las características que siempre se ve afectada es la resolución espacial. Como discutiremos, la resolución espacial está directamente relacionada con el tipo de centellador y, por lo tanto, con el coste del sistema y su complejidad. En esta tesis, motivada por los conocidos beneficios en imagen clínica de una medida precisa del tiempo y de la posición de los rayos gamma, proponemos configuraciones de detectores TOF- PET novedosos capaces de proveer de ambas características. Sugerimos el uso de lo que se conoce como métodos de "light-sharing", tanto basado en cristales monolíticos como pixelados de tamaño diferente al del fotosensor. Estas propuestas hacen que la resolución espacial sea muy alta. Sin embargo, sus capacidades temporales han sido muy poco abordadas hasta ahora. En esta tesis, a través de varios artículos revisados, pretendemos mostrar los retos encontrados en esta dirección, proponer determinadas configuraciones y, además, indagar en los límites temporales de éstas. Hemos puesto un gran énfasis en estudiar y analizar las distribuciones de la luz centellante, así como su impacto en la determinación temporal. Hasta nuestro conocimiento, este es el primer trabajo en el que se estudia la relación de la determinación temporal y la distribución de luz de centelleo, en particular usando SiPM analógicos y ASICs. Esperamos que esta tesis motive y permita otros muchos trabajos orientados en nuevos diseños, útiles para instrumentación PET, así como referencia para otros trabajos. Esta tesis esta organizada como se describe a continuación. Hay una introducción compuesta por tres capítulos donde se resumen los conocimientos sobre imagen PET, y especialmente aquellos relacionados con la técnica TOF-PET. Algunos trabajos recientes, pero aún no publicados se muestran también, con el objetivo de corroborar ciertas ideas. En la segunda parte se incluyen las cuatro contribuciones que el candidato sugiere para el compendio de artículos. / [CA] La Tomografia per Emissió de Positrons (PET) és una de les tècniques més importants en la medicina de diagnòstic actual i la més representativa en el camp de la Imatge Molecular. Esta modalitat d'imatge és capaç de produir informació funcional única, que permet la visualització en detall, quantificació i coneixement d'una varietat de malalties i patologies. Àrees com l'oncologia, neurologia o la cardiologia, entre altres, s'han beneficiat en gran manera d'aquesta tècnica. Tot i que un elevat nombre d'avanços han ocorregut durant el desenvolupament del PET, hi ha altres que són de gran interés per a futures investigacions. Un dels principals pilars actuals en PET, tant en investigació com en desenvolupament, és l'obtenció de la informació del temps de vol (TOF en anglès) dels raigs gamma detectats. Quan açò ocorre, augmenta la sensibilitat efectiva del PET, millorant la qualitat senyal-soroll de les imatges. No obstant això, l'obtenció precisa de la marca temporal dels raigs gamma és un repte que requerix, a més de tècniques i mètodes específics, compromisos entre cost i rendiment. Una de les característiques que sempre es veu afectada és la resolució espacial. Com discutirem, la resolució espacial està directament relacionada amb el tipus de centellador, i per tant, amb el cost del sistema i la seua complexitat. En aquesta tesi, motivada pels coneguts beneficis en imatge clínica d'una mesura precisa del temps i de la posició dels raigs gamma, proposem nouves configuracions de detectors TOF-PET capaços de proveir d'ambduess característiques. Suggerim l'ús del que es coneix com a mètodes de "light-sharing", tant basat en cristalls monolítics com pixelats de diferent tamany del fotosensor. Aquestes propostes fan que la resolució espacial siga molt alta. No obstant això, les seues capacitats temporals han sigut molt poc abordades fins ara. En aquesta tesi, a través de diversos articles revisats, pretenem mostrar els reptes trobats en aquesta direcció, proposar determinades configuracions i, a més, indagar en els límits temporals d'aquestes. Hem posat un gran èmfasi a estudiar i analitzar les distribucions de la llum centellejant, així com el seu impacte en la determinació temporal. Fins al nostre coneixement, aquest és el primer treball en què s'estudia la relació de la determinació temporal i la distribució de llum de centelleig, en particular utilitzant SiPM analògics i ASICs. Esperem que aquesta tesi motive i permeta molts altres treballs orientats en nous dissenys, útils per a instrumentació PET, així com referència per a altres treballs. Aquesta tesi esta organitzada com es descriu a continuació. Hi ha una introducció composta per tres capítols on es resumeixen els coneixements sobre imatge PET i, especialmente, aquells relacionats amb la tècnica TOF-PET. Alguns treballs recents, però encara no publicats es mostren també, amb l'objectiu de corroborar certes idees. La segona part de la tesi conté els quatre articles revisats que el candidat suggereix. / [EN] Positron Emission Tomography (PET) is one of the greatest tools of modern diagnostic medicine and the most representative in the field of molecular imaging. This imaging modality, is capable of providing a unique type of functional information which permits a deep visualization, quantification and understanding of a variety of diseases and pathologies. Areas like oncology, neurology, or cardiology, among others, have been well benefited by this technique. Although numerous important advances have already been achieved in PET, some other individual aspects still seem to have a great potential for further investigation. One of the main trends in modern PET research and development, is based in the extrapolation of the Time- Of-Flight (TOF) information from the gamma-ray detectors. In such case, an increase in the effective sensitivity of PET is accomplished, resulting in an improved image signal-to-noise ratio. However, the direction towards a precise decoding of the photons time arrival is a challenging task that requires, besides specific approaches and techniques, tradeoffs between cost and performance. A performance characteristic very habitually compromised in TOF-PET detector configurations is the spatial resolution. As it will be discussed, this feature is directly related to the scintillation materials and types, and consequently, with system cost and complexity. In this thesis, motivated by the well-known benefits in clinical imaging of a precise time and spatial resolution, we propose novel TOF-PET detector configurations capable of inferring both characteristics. Our suggestions are based in light sharing approaches, either using monolithic detectors or crystal arrays with different pixel-to-photosensor sizes. These approaches, make it possible to reach a precise impact position determination. However, their TOF capabilities have not yet been explored in depth. In the present thesis, through a series of peer-reviewed publications we attempt to demonstrate the challenges encountered in these kinds of configurations, propose specific approaches improving their performance and eventually reveal their limits in terms of timing. High emphasis is given in analyzing and studying the scintillation light distributions and their impact to the timing determination. To the best of our knowledge, this is one of the first works in which such detailed study of the relation between light distribution and timing capabilities is carried out, especially when using analog SiPMs and ASICs. Hopefully, this thesis will motivate and enable many other novel design concepts, useful in PET instrumentation as well as it will serve as a helpful reference for similar attempts. The present PhD thesis is organized as follows. There is an introduction part composed by three detailed sections. We attempt to summarize here some of the knowledge related to PET imaging and especially with the technique of TOF-PET. Some very recent but still unpublished results are also presented and included in this part, aiming to support statements and theories. The second part of this thesis lists the four peer-reviewed papers that the candidate is including. / This project has received funding from the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program (grant agreement No 695536). It has also been supported by the Spanish Ministerio de Economía, Industria y Competitividad under Grants No. FIS2014-62341-EXP and TEC2016-79884-C2-1-R. Efthymios Lamprou has also been supported by Generalitat Valenciana under grant agreement GRISOLIAP-2018-026. / Lamprou, E. (2021). Development and Performance Evaluation of High Resolution TOF-PET Detectors Suitable for Novel PET Scanners [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/162991 / TESIS / Compendio

[ES] Desde su creación en la década de 1950, las imágenes tomográficas han resultado muy valiosas en el ámbito médico ayudando tanto en el diagnóstico como en el tratamiento de múltiples enfermedades. Dentro de la imagen molecular, los escáneres PET (Tomografía por Emisión de Positrones) generan información detallada de la interacción de los radio-trazadores con el tejido de estudio, pudiendo combinar dicha información con imagen anatómica de escáneres TC (Tomografía Computarizada) o RM (Resonancia Magnética). Con el fin de aumentar las prestaciones de estos equipos, como la sensibilidad y la resolución espacial, los PET de cuerpo completo recientemente aumentan su cobertura axial. Sin embargo, el precio de estos dispositivos se multiplica, dificultando su compra en muchos hospitales y centros de investigación. Como alternativa, los escáneres PET específicos de órganos manejan un menor número de detectores haciéndolos más económicos. El objetivo de este tipo de escáneres es mejorar el rendimiento de los dispositivos acercando los detectores al paciente lo máximo posible, optimizando su diseño para un órgano en específico. Otra ventaja es la posible portabilidad de los aparatos. En esta tesis introducimos dos posibles diseños de PET específicos orientados a distintos órganos y con diferente tecnología y geometría y además un escáner preclínico con una geometría novedosa. El primer escáner fue construido de un proyecto nacional llamado PROSPET, fue diseñado y optimizado para hacer imagen de la próstata, debido a la conocida elevada tasa de cáncer de próstata en hombres. El 17% de la población masculina sufrirá cáncer de próstata. El detector escogido para este diseño está compuesto por cristales centelladores monolíticos acoplados a una matriz de fotomultiplicadores de silicio. Inicialmente se pensó en crear un escáner compuesto por dos palas. Sin embargo, los resultados con pacientes no fueron satisfactorios debido a la falta de información angular y la ausencia de información temporal precisa en los detectores. Por tanto, se construyó una configuración de anillo con un diámetro reducido en comparación con escáneres de cuerpo completo. Se apreció un aumento en la sensibilidad y la resolución espacial, así como una buena calidad de imagen utilizando fantomas. El segundo escáner, llamado proyecto CardioPET, está orientado a visualizar el corazón cuando el paciente está sometido a condiciones de estrés farmacológico. Para este dispositivo se utilizó el diseño de dos palas, pero usando cristales pixelados, mejorando la resolución temporal, permitiendo implantar algoritmos de tiempo de vuelo. Se han montado y testeado dos palas tanto con simulaciones como experimentalmente con buenas prestaciones. Además, se procedió a registrar el movimiento de las fuentes de radiación con el fin de aplicar correcciones de movimiento con la ayuda de una cámara externa y unos marcadores ARUCO. Los algoritmos de corrección de movimiento fueron testeados, demostrando un buen funcionamiento. El último dispositivo fue diseñado para optimizar la configuración PET de anillo lo máximo posible. Para ello, se eliminaron los espaciados entre detectores en un escáner pequeño de animales, creando un único detector centellador de forma cilíndrica. Con esto se busca aumentar la sensibilidad, pues ya no se pierden interacciones en los huecos, y también la resolución espacial. Dos prototipos fueron testeados con simulaciones, y validados experimentalmente. El primero con caras de salida planas y el segundo totalmente cilíndrico. En ambos diseños se observaron efectos debidos a la curvatura del detector que necesariamente han de ser compensados con una calibración. / [CA] Des de la seua creació en la dècada de 1950, les imatges tomogràfiques hi han resultat molt valuoses en àmbit mèdic ajudant tant en el diagnòstic com en el tractament de moltes malalties. Dins de la imatge molecular, els escàners PET (Tomografia per Emissió de Positrons) generen informació detallada de la interacció dels traçadors amb el teixit del pacient, podent combinar aquesta informació amb imatge anatòmica d'escàners TC (Tomografia Axial Automatitzada) o RM (Ressonancia Magnètica). Amb el fi d'augmentar les prestacions d’aquests equips, els PET de cos complet augmenten la seua cobertura axial, multiplicant el preu dels dispositius i dificultant la seua compra en hospitals i centres d’investigació. Com a alternativa, els escàners PET específics d'òrgans utilitzen un menor nombre de detectors resultant així un preu més econòmic. Un altre avantatge és la possible portabilitat dels aparells. En aquesta tesi abordem tres possibles dissenys de PET específics orientats a diferents òrgans i amb diferent tecnologia i geometria. El primer de tots, un projecte nacional denominat PROSPET, ha sigut dissenyat i optimitzat per a fer imatge de la pròstata, ja que és molt coneguda l'elevada taxa de càncer de pròstata en homes. El 17% de población masculina patirà càncer de pròstata. El detector escollit per a aquest disseny està format per cristals centellejadors monolítics acoblats a una matriu de fotomultiplicadors de silici. De primeres es va pensar a crear un escàner compost per dues pales, ja que permetria disposar els detectors molt a prop del pacient. El resultat no va ser molt satisfactori a causa de la falta d'informació angular i l'absència d'informació temporal precisa. Per tant, l'última iteració va consistir en una configuració d'anell amb un diàmetre reduït en comparació amb els escàners de cos complet. Es va observar una millora en la sensibilitat i la resolució espacial, així com una qualitat d'imatge acceptable. El segon dispositiu va ser dissenyat per a optimitzar la configuració d'anell el màxim possible. Per això es van llevar els espaiats entre detectors, creant un únic detector de forma cilíndrica. Amb aquest disseny es busca augmentar la sensibilitat, ja que no es perden interaccions en els espaiats, i també la resolució espacial. Dos prototips van ser testejats amb simulacions i validats experimentalment. El primer amb cares d'eixida planars i el segon totalment cilíndric. En els dos dissenys es va observar efectes deguts a la curvatura del detector que necessàriament ha de ser compensat amb una calibració. L’últim escàner, denominat projecte CardioPET, està orientat a visualitzar el cor durant el pacient quan és sotmés a condicions d'estrés farmacologic. escàner, denominat projecte CardioPET, està orientat a visualitzar el cor durant el pacient quan és sotmés a condicions d'estrés. Es va recuperar el disseny de les pales per aquest dispositiu, però utilitzant cristals pixelats, millorant la resolució temporal. Dues pales van ser muntades i testejades tant amb simulacions com experimentalment amb bones prestacions. A més, es va registrar el moviment de les fonts de radiació amb la fi d'aplicar correcció de moviment amb l'ajuda d'una càmera externa i uns marcadors ARUCO. Els algoritmes de correcció de moviment també van ser testejats, demostrant un bon funcionament. L'últim dispositiu va ser dissenyat per a optimitzar la configuració d'anell el màxim possible. Per això es van llevar els espaiats entre detectors, creant un únic detector de forma cilíndrica. Amb aquest disseny es busca augmentar la sensibilitat, ja que no es perden interaccions en els espaiats, i també la resolució espacial. Dos prototips van ser testejats amb simulacions i validats experimentalment. El primer amb cares d'eixida planars i el segon totalment cilíndric. En els dos dissenys es va observar efectes deguts a la curvatura del detector que necessàriament ha de ser compensat amb una calibració. / [EN] Since their introduction in the 1950-decade, tomographic images have become very valuable in the medical field helping both in diagnostics and in a variety of illnesses treatment. In the molecular imaging field, Positron Emission Tomography (PET) provides accurate information of the radio-tracers interactions with the patient tissue. Moreover, it is possible to combine this information with anatomical images provided by CT (Computed Tomography) or MR (Magnetic Resonance) scanners. With the aim to improve PET systems performance, such as the spatial resolution and the sensitivity, whole body (WB) PET scanners with large axial coverage are recently proposed. However, the system cost increases and, thus, makes difficult their installation in many hospitals or research centers. Organ-dedicated PET scanners, as an alternative to such large systems, use a lower number of detectors, so their price is considerably more economical. The goal of this kind of systems is to boost PET performance by placing the detectors as close as possible to the patient, optimizing the design for a specific organ instead of a large volume. Other advantage of these scanners is their portability. In this thesis we have worked in the design and validation of two organ-dedicated PET scanners with different geometries and technologies, as well as in a novel pre-clinical PET. The first scanner was the result from a national project called PROSPET. A PET system was designed and optimized to image the prostate area. Notice there is a high incidence rate of prostate cancer in the male population. 17% of male population will suffer prostate cancer. For this scanner, the detector modules were composed by a monolithic LYSO scintillation block coupled to a photosensor array based on silicon photomultipliers (SiPM). The first design configuration was made by two panels. However, patient results were not satisfactory due to the lack of angular information and the poor detector time resolution. Therefore, it was rebuilt in a ring configuration with a reduced diameter in comparison with WB-PET scanners. A high sensitivity and spatial resolution were found, as well as a good image quality using phantoms. The second PET scanner, called CardioPET, also arose from a national grant, and it was implemented to visualize the heart area when the patient is under stress condition. The two panels geometry was also implemented for this system, but using pixelated crystals, therefore improving the detector time resolution and allowing to use time of flight (TOF) reconstruction algorithms. Two panels were mounted and tested with both simulation and experimental data with good results. Furthermore, the patient motion was registered applying movement correction techniques with the help of an external optical camera device and ARUCO markers. These algorithms were tested showing a good performance. The last device that we worked within this PhD thesis was designed to optimize the classical ring PET configuration as much as possible. To do so, the gaps between the detector modules in a small animal PET were eliminated by building a single detector with a cylindrical scintillator shape. The goal is to improve the sensitivity, given that there are no event losses in the gaps and to also boost the spatial resolution since there are not edges. Two prototypes were tested with simulations, and experimentally validated as well. The first of them was built with planar outer faces whereas the second was fully cylindrical. In both designs some effects originated from the detector curvature were observed and successfully corrected during the calibration. / This thesis was supported by a FPI grant under 2017-08582 reference in the PhD program: “Programa de Doctorado en Tecnologías para la Salud y el Bienestar” belonging to the Polytechnic University of Valencia. The grant was supported by the “Consejo Superior de Investigaciones Científicas” together with the “Agencia Estatal de Investigación” and the “Fondo Social Europeo”. / Cañizares Ledo, G. (2022). Characterization of Dedicated PET Equipment with Non-Conventional Geometry [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/184977 / TESIS

Tesis por compendio / [ES] La Tomografía por Emisión de Positrones (PET) es una potente técnica de imagen que proporciona mediante el uso de radiofármacos específicos medidas cuantitativas de los procesos biológicos y fisiológicos que tienen lugar en el organismo a nivel molecular. Las imágenes PET proporcionan información funcional que permite el diagnóstico precoz y el seguimiento personalizado del tratamiento terapéutico. La PET tiene aplicaciones en diversas áreas clínicas y de investigación, como la oncología, la neurología o la cardiología, entre otras. Los esfuerzos por mejorar las prestaciones de los sistemas PET se centran en aumentar su sensibilidad y calidad de imagen, lo que permite una evaluación clínica más precisa. En las imágenes PET, se inyecta al paciente un radiotrazador marcado con un radionúclido emisor de positrones que se distribuye por todo el cuerpo. Durante la desintegración radiactiva del trazador, el isótopo emite un positrón que se aniquila con un electrón del tejido circundante, generando dos rayos gamma de 511 keV emitidos a aproximadamente 180º. La técnica PET se basa por tanto en la detección simultánea de estos dos rayos gamma, denominados fotones de aniquilación, empleando habitualmente un anillo de detectores alrededor del paciente. Mejorando el diseño y el rendimiento de estos detectores, se mejoran las capacidades diagnósticas que ofrece la imagen PET. Para aumentar el rendimiento, se ha sugerido utilizar detectores basados en diseños de cristales monolíticos, debido a sus ventajas en comparación con los detectores pixelados. Sin embargo, su implementación en escáneres comerciales requiere superar algunos retos relacionados principalmente con los métodos de posicionamiento y los procedimientos de calibración necesarios para proporcionar las coordenadas de impacto del fotón de aniquilación y el tiempo de llegada de los fotones. Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo y validación experimental de metodologías para la determinación precisa de esta información en detectores monolíticos, haciendo hincapié en su aplicación práctica también a sistemas PET completos. Durante esta tesis se han estudiado los principios fundamentales de los detectores PET monolíticos para comprender su comportamiento y limitaciones. En primer lugar, se han considerado las configuraciones típicas de detectores monolíticos basadas en bloques de centelleo continuo acoplados a matrices de SiPMs planas; además, también se han evaluado y validado otros enfoques novedosos. Se han desarrollado dos metodologías principales, una basada en técnicas analíticas y otra en algoritmos de Aprendizaje Profundo, para el posicionamiento 3D de la interacción del fotón con el fin de aumentar el rendimiento global del detector. Finalmente, los métodos propuestos han sido validados a nivel de detector, pero también en diferentes escáneres PET desarrollados en i3M. La presente tesis se basa en un compendio de los artículos más relevantes publicados en revistas revisadas por pares por el doctorando y está organizada de la siguiente manera. El Capítulo I presenta una introducción al trabajo de la tesis, compuesto por tres secciones: Imagen Médica, principios de la Tomografía por Emisión de Positrones y, Estimación de posición y calibración en detectores monolíticos. El Capítulo II contiene los objetivos específicos de esta tesis y las principales contribuciones del candidato a este campo. Este capítulo también incluye algunas metodologías y resultados recientes que aún no han sido publicados. El Capítulo III colecciona una copia de los cuatro artículos publicados seleccionados para el compendio, en los que el candidato es el primer autor [1]-[4]. En el Capítulo IV se discuten los principales resultados y conclusiones alcanzados durante la tesis. Por último, el Capítulo V presenta la discusión de esta tesis, resumiendo las principales contribuciones y destacando los logros científicos. / [CAT] La Tomografia per Emissió de Positrons (PET) és una potent tècnica d'imatge que proporciona mitjançant l'ús de radiofàrmacs específics mesures quantitatives dels processos biològics i fisiològics que tenen lloc en l'organisme a nivell molecular. Les imatges PET proporcionen informació funcional que permet el diagnòstic precoç i el seguiment personalitzat del tractament terapèutic. La PET té aplicacions en diverses àrees cliniques y d¿investigació, com l'oncologia, la neurologia o la cardiologia, entre altres. Els esforços per millorar les prestacions dels sistemes PET se centren en millorar la seua sensibilitat i qualitat d'imatge, la qual cosa permet una avaluació clínica més precisa més precís. En les imatges PET, s'injecta al pacient un radiotraçador marcat amb un radionúclid emissor de positrons que es distribueix per tot el cos. Durant la desintegració radioactiva del traçador, l'isòtop emet un positró que s'aniquila amb un electró del teixit circumdant, generant dos raigs gamma de 511 keV emesos a aproximadament 180º. La tècnica PET es basa per tant en la detecció simultània d'aquests dos raigs gamma, denominats fotons d'anihilació, emprant habitualment un anell de detectors al voltant del pacient. Millorant el disseny i el rendiment d'aquests detectors, es millora les capacitats diagnòstiques que ofereix la imatge PET. Per a augmentar el rendiment, s'ha suggerit utilitzar detectors basats en dissenys de cristalls monolítics, a causa dels seus avantatges en comparació amb els detectors pixelats. No obstant això, la seua implementació en escàners comercials requereix superar alguns reptes relacionats principalment amb els mètodes de posicionament i els procediments de calibració necessaris per a proporcionar les coordenades d'impacte del fotó d'anihilació i el temps d'arribada dels fotons. Aquesta tesi doctoral se centra en el desenvolupament i validació experimental de metodologies per a la determinació precisa d'aquesta informació en detectors monolítics, posant l'accent en la seua aplicació pràctica també a sistemes PET complets. Durant aquesta tesi s'han estudiat els principis fonamentals dels detectors PET monolítics per a comprendre el seu comportament i limitacions. En primer lloc, s'han considerat les configuracions típiques de detectors monolítics basats en blocs de centellege continu acoblats a matrius SiPM planes; a més, també s'han evaluat i validat altres enfocaments nous. S'han desenvolupat dues metodologies principals, una basada en tècniques analítiques i una altra en algoritmes d'Aprenentatge Profund, pel posicionament 3D de la interacció del fotó amb la finalitat d'augmentar el rendiment global del detector. Finalment, els mètodes proposats han sigut validats a nivell de detector però també en diferents escàners PET desenvolupats en i3M. La present tesi es basa en un compendi dels articles més rellevants publicats en revistes revisades per parells pel doctorand i està organitzada de la següent manera. El Capítol I presenta una introducció al treball de tesi, compost per tres seccions: Imatge Mèdica, principis de la Tomografia per Emissió de Positrons i, Estimació de posició i calibració en detectors monolítics. El Capítol II conté els objectius específics d'aquesta tesi i les principals contribucions del candidat a aquest camp. Aquest capítol també inclou algunes metodologies i resultats recents que encara no han sigut publicats. El Capítol III col·lecciona una còpia dels quatre articles publicats seleccionats pel compendi, en els quals el candidat és el primer autor [1]-[4]. En el Capítol IV es discuteixen els principals resultats i conclusions aconseguits durant la tesi. Finalment, el Capítol V presenta la discussió d'aquesta tesi, resumint les principals contribucions i destacant els assoliments científics. / [EN] Positron Emission Tomography (PET) is a powerful imaging technique that provides quantitative measurements of biological and physiological processes occurring within the body at the molecular level by using specific radiopharmaceuticals. PET imaging returns functional information that allows for early diagnosis and personalized therapy treatment follow up. It has applications in several research and clinical areas, such as oncology, neurology or cardiology, among others. Efforts to improve PET systems performance are focused on increasing their sensitivity and image quality, allowing for more accurate clinical assessments. In PET imaging, a radiotracer labeled with a positron-emitting radionuclide is injected to the patient and consequently, distributed throughout the body. During the radiotracer decay, the isotope emits a positron that annihilates with an electron of the surrounding tissues, generating two 511 keV gamma-rays emitted at approximately 180º. The PET technique is based therefore on the simultaneous detection of these two gamma-rays, called annihilation photons, by usually employing a ring of detectors around the patient. Improving the design and performance of these detectors, increases the diagnostic capabilities of PET imaging. To boost PET performance, it has been suggested to use detectors based on monolithic crystals designs, due to their advantages compared to pixelated detectors. However, their implementation in commercial scanners requires overcoming some challenges mostly related to photon impact positioning methods and calibration procedures to provide the impact coordinates and time of arrival of the annihilation photons. This PhD thesis focuses on the development and experimental validation of methodologies for an accurate determination of this information in monolithic detectors, emphasizing in their practical application to full PET systems. During this thesis, the main principles of monolithic-based PET detectors have been studied to understand their behavior and limitations. Typical monolithic detector configurations based on continuous scintillation blocks coupled to flat SiPM arrays have been first considered; additionally, other novel approaches have been also validated. Two main methodologies for 3D photon interaction positioning, one based on analytical methods and another based on Deep Learning algorithms, have been developed to increase the overall detector performance. The proposed methods have been validated at the detector level but also in different PET scanners developed by our group. The present thesis is based on a compendium of the most relevant papers published in peer-reviewed journals by the PhD candidate and is organized as follows. Chapter I presents an introduction to the thesis work, composed by three sections: Medical Imaging, principles of Positron Emission Tomography and, Position estimation and calibration in monolithic-based detectors. Chapter II contains the specific objectives of this thesis and the main contributions of the candidate to the field. This chapter also includes some recent methodologies and results that have not yet been published. Chapter III collects an author copy of the four published articles selected for the compendium, in which the candidate is the first author [1]-[4]. In Chapter IV the main results and conclusion achieved during the thesis are discussed. Finally, Chapter V presents the discussion of this thesis, summarizing the main contributions and highlighting the scientific achievements. / Freire López-Fando, M. (2023). Implementation of New Algorithms for an Accurate Gamma-Ray Impact Determination in Scintillation Monolithic Blocks for PET Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196084 / Compendio