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 / Compendio

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