Detectores en PET

Material cortesía de:

Maurizio Conti, PhD

University of Tennessee, USA

Resumen

Introducción

Centelladores inorgánicos

Nuevos sensores de luz y centelladores

Fotodetectores de estado sólido

Proceso de detección:

Emisión de positrones y aniquilación

Dos emisiones g

interacción g en el cuerpo del paciente: absorción o scatter.

interacción g en los detectores

(centellador+fotodetector o estado sólido)

Detector clásico:

Centellador inorgánico + Tubo Foto-Multiplicador (PMT)

Dt

coincidencia

e+

e-

Detector g

Detector de luz

Detector g : scintillator

PMT

Detector g : scintillator

Detector de luz

(APD, SiPM)

Detector g = detector de estado sólido

(Si, CZT)

Componentes de detectores

Eg

X = A / (A + B)

X1 = 100 / (100 + 0) = 1 X2 = 55 / (55 + 45) = 0.55

A B

Arquitectura de detector: el bloque

BA

AX

DC

CY

Lógica de Anger

Y

X

1986 - ECAT con bloque detector

PMTs

PMTs 52 cm

36 cm

guía de luz centellador

Arquitectura de detector: el panel

centellador

Efecto Compton

e-

Eg

E’g

Eel

Eg -

E’g

EC

)cos1(1

'

2

mc

hv

hvhv

Efecto fotoeléctrico

e-

Eg

Eg

Secciones eficaces de interacción

LSO LaBr3

Compton

fotoeléctrico

511 keV 511 keV

m m

m x r

Un buen detector debe poseer:

gran densidad y Z: eph r Z4 y eComp r Z

gran salida de luz: energía y resolución temporal 1 / N1/2

• tiempos cortos de subida y decaimiento: resolución

temporal y tiempo muerto ta

centellador, long de onda > 400 nm ( mejor para PMTs)

estado sólido: no higroscópico, uniforme, fácil de hacer,

bajo costo, etc

Resolución espacial y sensibilidad

Resolución determinada por el ancho del detector

Detectores pequeños: mejor resolución y muestreo

Resolución espacial y sensibilidad

Detectores más gruesos: mejor sensibilidad, pero la resolución se degrada por efecto de paralaje

2)1( deadsensibilid m

Resolución espacial y sensibilidad

2)( deadsensibilid m

Resolución espacial y sensibilidad Detectores más gruesos: mejor sensibilidad, pero la resolución se degrada por efecto de paralaje

Requerimientos • Alta sensibilidad

– Detectores de alta eficiencia

– Cobertura en gran ángulo sólido • Diámetro pequeño de anillos de detectores (depende de la

aplicación)

• Extensión axial larga

• Alta resolución espacial – Elementos detectores de sección pequeña

– Detectores sensibles a profundidad

Tecnología

• Detectores de centelleo:

– Tubos fotomultiplicadores (PMT)

– Fotodiodos de avalancha (APD)

– Fotomultiplicadores de Silicio (SiPM)

• Semiconductores de alta densidad

– CdTe o CZT

– Ge

– TlBr

Centelladores PET

Centellador 90%

Eficiencia (cm)

Salida luz

(fotones/MeV)

Tiempo dec.

(ns)

BGO 2.4 7,000 300

BaF2 5.1 2,000 0.8

CsF 5.4 1,900 4

LSO, LYSO 2.6 25,000 42

LaBr3 4.9 60,000 27

LuI3 4.1 100,000 30

Factores que determinan la resolución espacial

Ancho del cristal

Rango del positrón

Geometría del escáner

No-colinealidad

Profundidad de interacción

Scatter en el detector

Cuán estrechos deben ser los cristales?

Cuál es la máxima resolución conseguible?

Rango del positrón

511 keV

rango del positrón

511 keV

Rango del positrón

F-18 (0.64 MeV)

C-11 (0.97 MeV)

N-13 (1.19 MeV)

O-15 (1.72 MeV) 1 mm

Distribución exponencial, rango depende de la energía

“No-colinealidad”

511 keV

511 keV 180 ± 0.25°

No-colinealidad

• Fotones emitidos con ángulo de 180° ± 0.25°

• Borroneo dado por 0.022 x separación de detector al centro del escáner

D= 80 cm

R180° = 1.8 mm

D= 12 cm

R180° = 0.26 mm

Resolución espacial en PET

Interacción en detector

2 cm LSO (escala log)

Escáner para pequeños animales (D = 8 cm)

Escáner para humanos de cuerpo completo (D = 80 cm)

Rango del positrón 18F

1 mm

Total

R~2.0 mm

R~0.4 mm

No-Colinealidad

Efecto de tamaño de detector en PET para pequeños animales

Resolución “óptima” Tamaño de detector 1.5 mm 1.0 mm 0.5 mm 0.25 mm

1 mm

Resolución vs. Tamaño de detector 18F tracer, 8 cm diameter scanner

FWTM

Propiedades de centelladores

•NEC, Noise Equivalent Count Rate

• NEC = [(True+scatter)*(1-scf)]2/[True+scatter + randoms]

• NEC está relacionado

con calidad de imagen

Nuevos centelladores?

Ce3+ 5d-4f transition

P. Dorenbos, Presentedat SCINT09, JejuIsland, Korea, June 2009

Buscando nuevos centelladores

Primer paper sobre LSO

Transición Ce3+ 5d-4f

Espectro de energía LSO

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

0 200 400 600 800 1000

176Lu backgroundLSO @511keV

energy

Producción LSO

Tubo Foto-Multiplicador (PMT)

Ganancia ~ 106

Tiempo de respuesta ~ 2 ns

Tamaño: 2”ɸ, 6” largo

Voltaje ~ 2000 V

Eficiencia cuántica < 20 %

Inoperantes en campos magnéticos

Costoso !

Foto-diodos de Avalancha (APD)

- Prototipos de APD desarrollados hace ~50 años - Inicialmente muy pequeños (1 mm2), sensibles solamente al infrarrojo, de baja ganancia y alto costo. - Luego disponibles en áreas mayores (decenas de mm2), sensibles

al azul-UV, bajo costo y tensión operativa más baja que para los PMTs.

- Ampliamente usados para detección de partículas de alta energía en muchas aplicaciones

APD

Componentes de estado sólido que aprovechan el efecto fotoeléctrico para crear cargas, que luego se multiplican en un campo eléctrico

APD: parámetros operativos

- Con una capa anti-reflectante en la superficie, la mayor parte de los fotones se convierte en señal, con eficiencia ~ 80%

- La tensión de alimentación es de algunas centenas de volts - Ganancia modesta, del orden de 50-100 - Alta sensibilidad con la temperatura, requiere correcciones (algunos %

por grado) - Buenas propiedades temporales - Adecuados para convertir luz proveniente de fibras ópticas y

centelladores pequeños - Dimensiones de 1x1 a 5x5 mm2 y más

Foto-multiplicador de Silicio (SiPM)

Dispositivo compacto

Tensión operativa (30-120V)

Resolución – Detección de fotones singles

Tiempo de respuesta– ~100 ps

Ganancia alta- 106

Eficiencia cuántica– 90%

Eficiencia en detección de fotones– 60%

Inmune a campos magnéticos

1-3 mm

1-3 mm

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SiPM

SiPM es una matriz 2-D de fotodiodos de avalancha (APD’s) , acoplados juntos resistivamente.

SiPM se le aplica una tensión de ruptura, o sea, operados en “modo Geiger”

Cada pixel (APD) actúa como un detector binario, indicando la presencia o ausencia de fotones. Como conjunto, el dispositivo da una señal analógica que indica el número de pixeles que se activan.

El tamaño típico de un APD (pixel) es de 50 µm × 50 µm y con una ganancia típica de ~ 106

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Vista superior y esquema de un SiPM. Cada fotodiodo opera en modo Geiger y tiene una resistencia de extinción (quenching) individual. Cada celda está compuesta por un fotodiodo y su resitencia de quenching. El tamaño de microcelda iguala la distancia entre las mismas y puede ser de 15 µm, 25 µm o 50 µm.

SiPM: Limitaciones

Corrientes oscuras Portadores generados térmicamente que dan señales que

aparentan ser auténticas señales de fotones

After Pulsing Portadores atrapados , liberados después

Cross-Talk Activación en pixel por detección en pixel adyacente

Dependencia en temperatura de tensión de ruptura La ganancia de los SiPM Gain se afecta por cambios en sobre-

tensión aplicada (Tensión aplicada– Tensión de ruptura)

SiPM – dependencia con temperatura

Modo Geiger : encima ruptura VS = VBR + Sobre-tensión Ganancia dependiente en

sobre-tensión aplicada Pero, la tensión de ruptura

depende de la temperatura Efectivamente, la ganancia

cambia en 3-5%/˚C

La sobretensión debería ser constante a ganancia constante

𝑽𝑺 𝑻 = 𝑽𝑩𝑹 𝑻 + 𝑺𝒐𝒃𝒓𝒆 −𝑻𝒆𝒏𝒔𝒊ó𝒏

* Bajarang Sutar

* S. R. Dugad and K. C. Ravindran 47

Comparación de foto-detectores

En constante evolución

Gracias!