Positron range and prompt gamma modeling in PET imaging

La Tomografia por Emision de Positrones (PET, de sus siglas en ingles: Positron Emission Tomography) es una tecnica de Medicina Nuclear no invasiva que permite la visualizacion in vivo de multiples fenomenos biologicos y bioquimicos. Gracias a que la PET es capaz de visualizar estos procesos a un nivel molecular, se puede usar en multiples aplicaciones, entre las que cabe destacar el diagnostico y seguimiento del paciente, la investigacion farmacologica, el estudio de enfermedades humanas en modelos de laboratorio y la caracterizacion de la expresion genetica. Desde el desarrollo de los primeros escaneres PET, la tomografia por emision de positrones se ha establecido como una tecnica de uso rutinario en oncologia, cardiologia y neurologia. Por otro lado, con la extension de esta tecnica a la investigacion preclinica, se han desarrollado escaneres PET para pequenos animales, como por ejemplo ratones y ratas, con una resolucion espacial muy alta, del orden del milimetro.Durante las ultimas decadas se han propuesto varios radioisotopos de interes para imagen PET, como por ejemplo, 68Ga, 82Rb, 124I, 94mTc, 76Br y 86Y, y se han desarrollado una gran cantidad de radiofarmacos basados en estos radioisotopos. La calidad de imagen alcanzable con estos radionuclidos se ve afectada principalmente por dos factores: el rango del positron, que es un factor limitante a la resolucion espacial alcanzable por el sistema, y la emision de fotones gamma adicionales a los positrones emitidos por el nucleo, que dan lugar a un mayor numero de coincidencias no deseadas y que empeora la cuantificacion en la imagen. En este trabajo de tesis se ha estudiado, mediante simulaciones Monte Carlo, el efecto del rango del positron y de las emisiones gamma adicionales en la calidad de imagen alcanzable en sistemas PET de pequenos animales. Tambien hemos implementado varios metodos para corregir estos efectos durante el proceso de reconstruccion de la imagen. Otro estudio hemos llevado a cabo es la implementacion y evaluacion de un metodo de mejora de cuantificacion PET en pequenos volumenes de interes. Por ultimo, hemos incluido en nuestra herramienta de simulacion la posibilidad de simular y analizar coincidencias triples en PET, y estudiar la cantidad de este tipo de coincidencias en varias situaciones de interes, tanto en escaneres preclinicos como clinicos.En resumen, en esta tesis se muestra como el uso de simulaciones Monte Carlo realistas nos puede guiar para modelar y corregir los parametros que afectan de un modo mas significativo a la calidad de imagen cuando se usan radioisotopos no convencionales en PET, permitiendo la obtencion de imagenes de calidad incluso cuando se usan emisores cuyas propiedades no son optimas para PET (alta energia de emision de los positrones, emision de fotones gamma adicionales, etc.). Abstract; Positron Emission Tomography (PET) is a molecular imaging technique that provides a 3D image of functional processes in the body in-vivo. Several new radionuclides and radiotracers have been proposed during the last years for PET imaging. Two challenges arise with the use of these radionuclides: their large positron range, which compromises the achievable spatial resolution of the system, and the emission of gamma rays in coincidence with positrons, which complicates quantitative PET imaging. In this thesis we tried to model, by using the Monte Carlo simulation tool developed by our group, the effect of positron range and prompt emissions in PET image quality. Later, we have used this modeling to correct PET images for these effects. Further, a method for improving the quantification of PET images was also implemented and evaluated. Finally, we modified our simulation tool in order to simulate and analyze triple coincidences in PET, as they have interesting potential applications in preclinical and clinical PET imaging.