Resumen
Esta tesis doctoral explora el desarrollo y la aplicación de nuevos materiales centelleadores adecuados para la Tomografía por Emisión de Positrones con Tiempo de Vuelo (ToF-PET), con el objetivo de mejorar la resolución temporal utilizando metacentelleadores. La información temporal mejora la relación señal-ruido de las imágenes clínicas, ofreciendo mayor contraste que permite detectar precozmente tumores de pequeño tamaño y baja densidad, además de investigar enfermedades neurodegenerativas. Los metacentelleadores son estructuras compuestas por múltiples capas de materiales centelleadores distintos, capaces de equilibrar una alta absorción de rayos gamma y tiempos de decaimiento breves, mejorando el rendimiento de los sistemas PET.
Este trabajo revisa la física fundamental del PET, en particular las limitaciones de centelleadores como BGO, LYSO, BaF¿ y EJ232. La introducción de metacentelleadores, que combinan materiales densos (BGO, LYSO) con emisores rápidos (EJ232, BaF¿), permite la compartición energética entre materiales y mejora el sistema. Se probaron combinaciones como BGO/EJ232, LYSO:Ce/EJ232 y BGO/BaF¿.
En el caso de BGO/EJ232, un metapíxel de 3×3×15 mm³ logró una resolución temporal del módulo (DTR) de 159 ps, equivalente a una CTR de 224 ps. Las distribuciones de tiempos de subida permitieron discriminar tipos de eventos, mostrando su potencial para mejorar la resolución. Además, estas combinaciones mejoraron la detección de fotones Cherenkov al acoplarse con SiPM sensibles al VUV.
En los BGO/BaF¿, un modelo optimizado de compartición energética logró una resolución del 22%, cercana al 18% del BGO puro. Una corrección de "time walk" aplicada a eventos compartidos mejoró el CTR de 319 ps a 242 ps, alcanzando 108 ps para el 13% de eventos más rápidos, comparable al de un cristal LYSO:Ce,Ca de 3×3×5 mm³.
Para la validación experimental se usaron SiPM de última generación, incluyendo modelos con zanjas metálicas (MT), seleccionados por su alta eficiencia en UV y VUV. Usando electrónica avanzada con un canal dedicado a la temporización, se logró un CTR de 71 ps con cristales LYSO:Ce,Ca, 18 ps mejor que sin MT. Una versión pasiva del sistema electrónico mostró solo 8 ps de degradación respecto al mejor resultado con amplificación, mostrando el potencial de reducción de costes y consumo energético.
Una parte clave de la tesis aborda las complejidades del procesamiento de señales en estructuras multimaterial. Aunque complica el acceso a la información energética y temporal, permite reconstrucción de eventos más refinada mediante el modelo de compartición energética. Esta interacción única entre capas permite una interpretación más precisa de la información gamma.
Finalmente, se exploran futuras direcciones como el uso de nanocristales y nuevos materiales para mejorar aún más la resolución y la eficiencia. Combinando materiales innovadores, electrónica rápida y nuevas tecnologías de SiPM, los metacentelleadores ofrecen un camino prometedor para la próxima generación de sistemas PET con tiempo de vuelo.
Palabras clave
Positron Emission Tomography; PET; Time-of-Flight; ToF; Metascintillators; Scintillation Detectors; Cherenkov Radiation; Coincidence Timing Resolution; Signal Processing; Silicon Photomultipliers; SiPM; Gamma Detection; Medical Imaging; Nanocrystal Scintillators; Energy Sharing; Frontend Electronics
