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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.43.2011.tde-26042012-155440
Document
Author
Full name
Daniel Alexandre Baptista Bonifacio
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2011
Supervisor
Committee
Moralles, Mauricio (President)
Medina, Nilberto Heder
Poletti, Martin Eduardo
Pozzo, Lorena
Robilotta, Cecil Chow
Title in Portuguese
Modelagem de sistema de detecção para mamografia por emissão de pósitrons utilizando detectores cintiladores monolíticos
Keywords in Portuguese
Física computacional
Física médica
Física nuclear
Método de Monte Carlo
Radiaçao ionizante
Abstract in Portuguese
O objetivo deste trabalho foi propor, caracterizar e avaliar, por meio de simulações computacionais, um sistema de detecção de um tomógrafo PET (Positron Emission Tomography) dedicado para pequenas regiões. Os principais fatores considerados para a modelagem do sistema foram: resolução energética, resolução espacial, sensibilidade de detecção e custo do sistema. O pacote GATE (Geant4 Application for Tomographic Emission), baseado no código de transporte de radiação Geant4, foi escolhido para as simulações. Como forma de acompanhar os avanços da tecnologia PET, o tomógrafo Q-PEM/DoPET, da Universidade de Pisa - Itália, foi simulado e um modelo óptico analítico foi proposto para comparação entre os resultados simulados e experimentais. Assim, a utilidade do modelo óptico foi demonstrada, pois o mesmo evita o tempo de computação excessivamente longo de uma simulação com os processos ópticos do GATE ativados. Foi feita a caracterização de um bloco detector que consiste de um cristal cintilador monolítico acoplado a uma matriz de fotodetectores, baseados na tecnologia das fotomultiplicadoras de silício. A posição da interação do fóton gama dentro do cristal foi determinada usando um método baseado na estimativa de parâmetros de um modelo que descreve a distribuição da intensidade dos sinais dos fótons ópticos coletados pela matriz de fotodetectores, de acordo com o local da interação. O método possui a capacidade de determinação da profundidade da interação dentro do cristal, o que diminui consideravelmente os erros de paralaxe. O bloco detector proposto também pode ter aplicação em outras áreas da física e afins que fazem uso da instrumentação nuclear e que necessitam de detectores sensíveis à posição. Foi proposto um sistema de detecção para um tomógrafo PET com aplicação na Mamografia por Emissão de Pósitrons - PEM (Positron Emission Mammography). O conceito proposto tem o potencial para aperfeiçoar a capacidade da tecnologia PET de visualizar, quantificar e caracterizar tumores de mama. O tomógrafo foi avaliado, onde os parâmetros de desempenho para uma fonte pontual de 22Na no centro do campo de visão e distância entre planos detectores de 10 cm foram: resolução energética em 511 keV de 12,1(3)%, resolução espacial 3D de 1;34(1) x 1;26(1) x 2;04(2)mm3 e sensibilidade de detecção de 8(1)%. Os resultados mostram que o conceito proposto possui desempenho compatível aos tomógrafos já existentes, além de ter um custo menor, por ser baseado em cristais cintiladores monolíticos.
Title in English
Modeling of a detection system for positron emission mammography using monolithic scintllator detectors
Keywords in English
computational physics
ionizing radiation
Medical physics
Monte Carlo method
nuclear physics
Abstract in English
The aim of this work was to propose, to characterize and to evaluate, by means of computational simulations, a detection system of a dedicated PET (Positron Emission Tomography) tomograph. The main factors considered for the system modeling were: energetic resolution, spatial resolution, detection sensitivity and system cost. The package GATE (Geant4 Application for Tomographic Emission), based on Geant4 radiation transport code, was chosen for the simulations. To follow the advances on PET technology, the Q-PEM/DoPET tomograph, from University of Pisa - Italy, was simulated and an analytical optical model was proposed for comparison between simulated and experimental results. Thus, the usefulness of the optical model was demonstrated, since it avoids the excessively long computation time when activating the optical processes in GATE. A block detector made of a monolithic scintillator crystal coupled to a photodetector array based on silicon photomultiplier technology was characterized. The interaction position of gamma radiation inside the crystal was determined using a method based on estimating parameters of a model which describes the signal distribution of the optical photons collected by the photodectetor array. The method has the ability of determining the depth of interaction inside the crystal, which decreases considerably parallax errors. The proposed block detector also can be used in other applications of nuclear instrumentation that require sensitive position detectors. A detection system of a PET tomograph was proposed to be applied in Positron Emission Mammography - PEM. The proposed design has the potential to improve the PET ability to visualize, quantify and characterize breast tumors. The tomograph performance was evaluated and the following parameters were obtained from an acquisition of a 22Na point source in the center of the field view and for a distance of 10 cm between the detector planes: energy resolution at 511 keV of 12,1(3)%, 3D spatial resolution of 1;34(1) x 1;26(1) x 2;04(2)mm3 and detection sensitivity of 8(1)%. The results show that the performance of the proposed design is similar to existing tomographs, in addition to have a lower cost due to the employment of monolithic crystals.
 
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This document is only for private use for research and teaching activities. Reproduction for commercial use is forbidden. This rights cover the whole data about this document as well as its contents. Any uses or copies of this document in whole or in part must include the author's name.
Publishing Date
2012-05-21
 
WARNING: The material described below relates to works resulting from this thesis or dissertation. The contents of these works are the author's responsibility.
  • BONIFACIO, Daniel A. B., et al. A Time Efficient Optical Model for GATE Simulation of a LYSO Scintillation Matrix Used in PET Applications [doi:10.1109/TNS.2010.2062536]. IEEE Transactions on Nuclear Science [online], 2010, vol. 57, n. 5, p. 2483-2489.
  • BONIFACIO, D.A.B., et al. A time efficient optical model for GATE simulation of a LYSO scintillation matrix used in PET applications [doi:10.1109/NSSMIC.2009.5402311]. In 2009 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record (NSS/MIC) [online], Orlando, FL, 2009. Orlando, FL : IEEE, 2009. p. 1468-1473. ISBN 978-1-4244-3961-4.
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