Search

Advanced Therapy is considered one of the fastest growing areas of biomedical research and with the greatest potential to influence society by offering solutions for unmet medical needs, including the possibility of curing diseases with negligible or scarce herapeutic alternatives and developing personalized medicine. We describe here the current positioning, weaknessess and potential of the CSIC in Gene therapy, Cell therapies and Bioengineering and analyze the major goals to be achieved in these research fields in order to translate basic science to clinical applications.

The IRIS group at IFIC-Valencia is developing a Compton camera prototype with the aim of applying it in hadron therapy treatment monitoring. Recently, a third version of the prototype MACACO (Medical Applications CompAct COmpton camera) has been built. The system is composed of three Lanthanum (III) bromide scintillator crystals coupled to silicon photomultipliers. To improve its performance for the final application, several detectors are tested, two different silicon photomultipliers (25 and 50 um) have been chosen as possible candidates. The 25 up photodetector provided better performance in therms of dynamic range, energy resolution (5.2/ FWHM at 511 keV) and stability with temperature variations. MACACO III has also been tested in the CNA cyclotron (Seville) with 18 MeV proton beam to produce 4.439 MeV gamma rays. Data have been acquired with a graphite target in five different positions at 2.5 nA nominal beam intensity. Images with 4.439 MeV photons have been reconstructed, demonstrating the system capability to reconstruct images at energies relevant for hadron therapy. Moreover, the system has been able to distinguish 1mm displacements in the target position.

[EN] Described is a solution for determining events related to photons and charged particles useful in therapies that employ methodologies related to hadron therapy. In one aspect, the invention relates to a device having a sandwich-type structure of photon-detecting panels (1) and charged-particle-detecting panels (2), which can be suitably associated with respective sensors. Also included is a method for detecting photons and charged particles, which uses the device. Lastly, a specific use of the subject matter of the invention in hadron therapy is described, [ES] Se detalla una solución para la determinación de eventos relacionados con fotones y partículas cargadas de utilidad en terapias que hacen uso de metodologías relacionadas con la hadrónica. En un aspecto de la invención se tiene un dispositivo que presenta una estructura tipo sándwich de paneles detectores de fotones (1) y paneles detectores de partículas cargadas (2) que pueden estar convenientemente asociados a respectivos sensores. Asimismo, se incluye un método para detección de fotones y partículas cargadas que hace uso del citado dispositivo. Finalmente, se detalla un uso concreto del objeto de la invención en terapia hadrónica, [FR] L'invention concerne une solution pour déterminer des événements associés à des photons et des particules chargées utiles dans des thérapies qui utilisent des méthodologies associées à l'hadronique. Dans un aspect, l'invention concerne un dispositif qui présente une structure de type sandwich de panneaux détecteurs de photons (1) et de panneaux détecteurs de particules chargées (2) qui peuvent être associés de manière appropriée à des capteurs respectifs. L'invention concerne également un procédé pour la détection de photons et de particules chargées qui fait appel audit dispositif. Enfin, l'invention détaille l'utilisation concrète de l'objet de l'invention en thérapie hadronique, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (España), Universitat de València, A1 Solicitud de patente con informe sobre el estado de la técnica

Trabajo presentado a las Jornadas de Física Médica, organizadas por la Real Sociedad Española de Física y el IFIC a través de la instalación de Física Médica IFIMED, celebradas virtualmente del 14 al 15 de diciembre de 2020., The IRIS group of IFIC (Valencia) has recently developed and characterized a new version of a three-layer Compton camera (CC) for hadron therapy monitoring, known as MACACO (Medical Applications CompAct COmpton camera). With the main purpose of improving the timing response of 25 ns of the current MACACO II, a new system, MACACOp, has been assembled employing the novel TOFPET2 ASIC (PETsys, Portugal) to read and process the photosensor signals. This prototype is composed by two detector planes, each one consists of a monolithic Lanthanum (III) Bromide (LaBr3) crystal from Epic-Crystal coupled to a silicon photomultiplier (SiPM) array with 64 elements from KETEK. The ASIC employed provides time and energy digitization of signals from 64 channels, each containing ADCs and TDCs, allowing to read out each one individually. By using a low threshold for timing and a high one for accepting events, the ASIC can discard dark counts without introducing dead time and discard pulses with low amplitude. Characterization and coincidence tests have been performed in laboratory, at a controlled temperature of 20 ◦C, using the MACACOp two-layer prototype. Promising results have been obtained, with a fully working system. Namely an energy resolution of 6.2% Full-Width at Half Maximum (FWHM) at 511 keV and a preliminary time resolution of 2.2 ns FWHM. Moreover, images of a 22Na have been successfully reconstructed. In order to test the device in a more realistic scenario, at high photon energies, in-beam tests with proton beams have been carried out at the National Accelerator Centre (CNA, Seville). A graphite target was irradiated by an 18 MeV proton beam, to produce 4.4 MeV photons. Data were taken at three different beam intensities (250 pA, 2.5 nA and 3.6 nA) with the first detector at 135 mm from the target. The distance between planes was set to 60 mm. Different measurements were taken by moving the graphite target in 1 mm steps with a linear motorised stage with micrometric precision. Preliminary data analysis has been carried out. Energy spectra were obtained in both singles and coincidences data acquisition modes. The measurements allowed to reconstruct the photon emission distribution at target positions separated by 1 mm. The results obtained demonstrate the potential of the MACACOp as a monitoring device for hadron therapy.

[ES] Se detalla una solución para la determinación de eventos relacionados con fotones y partículas cargadas de utilidad en terapias que hacen uso de metodologías relacionadas con la hadrónica. En un aspecto de la invención se tiene un dispositivo que presenta una estructura tipo sándwich de paneles detectores de fotones (1) y paneles detectores de partículas cargadas (2) que pueden estar convenientemente asociados a respectivos sensores. Asimismo, se incluye un método para detección de fotones y partículas cargadas que hace uso del citado dispositivo. Finalmente, se detalla un uso concreto del objeto de la invención en terapia hadrónica., [EN] A solution is detailed for the determination of events related to photons and charged particles useful in therapies that make use of methodologies related to hadronics. In one aspect of the invention there is a device that has a sandwich-type structure of photon detector panels (1) and charged particle detector panels (2) that can be conveniently associated with respective sensors. Also included is a method for detecting photons and charged particles that makes use of the aforementioned device. Finally, a specific use of the object of the invention in hadronic therapy is detailed., Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Universitat de València, B2 Patente con examen previo

Trabajo presentado en el IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, celebrada en Manchester, del 26 de octubre al 2 de noviembre de 2019, The IRIS group at IFIC Valencia is developing a three-layer Compton camera for treatment monitoring in ion beam therapy. The system is composed of three detector planes, each made of a LaBr 3 monolithic crystal coupled to SiPM arrays. The first prototype (MACACO), was fully characterised in the laboratory and in beam tests demonstrating the feasibility of the proposed technology. A second prototype (MACACO II), described in this work, is currently being developed to improve performance. The SiPM arrays have been replaced by newer models, leading to an improved detector energy resolution which translates into a higher spatial resolution of the telescope. In addition, the image reconstruction code has been improved with an accurate model of the sensitivity matrix. Furthermore, a new spectral reconstruction algorithm for Compton cameras with two planes has been developed showing promising results. The system has been fully characterised in the laboratory at controlled temperature and also tested in two accelerator facilities. The first involved a proton beam of 18 MeV impinging a graphite target. The results allowed the successful reconstruction of two target positions separated by 5 mm. The second test beam used protons of 150 MeV impinging on a PMMA target. The results show that for measurements taken in different positions of the PMMA target the reconstructed Bragg peak position is related to the PMMA position.

Trabajo presentado en la 24th International Conference on Medical Physics, celebrada en Santiago de Chile, del 8 al 11 de septiembre, Hadron therapy (HT) is a technique used in cancer treatment that consists in the irradiation of tumours using light ions or protons instead of photons. HT treatment monitoring in real-time is one of the main challenges addressed nowadays. The IRIS group (http://ific.uv.es/iris) at IFIC-Valencia is developing a Compton telescope with this purpose. The system is made of three LaBr3 detector planes coupled to silicon photomultipliers (SiPMs). A first prototype (MACACO: Medical Applications CompAct COmpton camera) was successfully developed, with promising results. A second version has been developed with the aim of improving the system performance, including new detectors for the first two planes and an improved image reconstruction code, improving significantly the performance tests in laboratory and accelerator facilities. The performance improvement of MACACO II was verified through experimental tests. In addition, Monte Carlo simulations were made with GATE v 7.0 getting a good correlation with the experimental measurements. In this poster we present results corresponding to the two-layer layout with the new detectors., This work has received funding from the Spanish Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (FPA2017-85611-R and IFIC's Center of Excellence Severo Ochoa SEV-2014-0398) and from EC H2020 ENSAR2/MediNet (project number 654002)

Trabajo presentado en el 17th Annual Meeting and Training, celebrado en Caen (Francia) del 1 al 3 de julio de 2019, Purpose Real-time monitoring is still a challenge in hadrontherapy. With this aim, a Compton telescope prototype (MACACO) has been developed by the IRIS group at IFIC-Valencia within the European project ENVISION. The second prototype MACACO II is an upgrade developed with the purpose of enhancing its performance. Material and Methods MACACO II consists of three layers of LaBr3 monolithic crystals coupled to silicon photomultiplier (SiPM) arrays. New crystals have been coupled to 8x8 pixel SiPM arrays from Hamamatsu Photonics (S13361-3050AE-08). Moreover, an improved image reconstruction code including an accurate model for the sensitivity matrix has been implemented. The telescope has been characterized in the laboratory with 22Na and 152Eu sources and tested in two accelerator centres. The first test took place at CNA (Sevilla) with a 18 MeV proton beam impinging on a graphite target in order to produce 4.4 MeV gamma rays. A second test was held in KVI-CART (Groningen) with a 150 MeV proton beam hitting a PMMA target. Monte Carlo simulations have been carried out with GATE V 7.0. Results In the laboratory, the energy resolution has been improved and an angular resolution of 4.6° has been achieved, which together with the improved reconstruction code, have led to a better image quality. The efficiency measured with two planes in coincidence at 1275 keV is 1.0x10-3. Monte Carlo simulations result in a good correlation with the experimental parameters. Regarding the In-beam experiments, two target positions separated by 5 mm have been reconstructed from the CNA test-beam. Furthermore, KVI-CART test-beam results show that Bragg distribution correlates to the PMMA position. Conclusions MACACO II has shown a better performance than the previous prototype. The testbeam results have demonstrated the ability to reconstruct different positions. Further improvements are ongoing in order to achieve the required performance for the application., This work was supported in part by the European Commission's 7th Framework Programme through the ENVISION project (G. A. num 241851), by the Spanish Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (FPA2014-53599-R, FPA2017-85611-R and IFIC's Center of Excellence Severo Ochoa SEV-2014-0398) and by H2020 ENSAR2- MediNet (project number 654002). Group members are supported by Ramón y Cajal, UVEG Atraccio de Talent and Spanish Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades.

Trabajo presentado en la XXXVII Reunión Bienal de la Real Sociedad Española de Física, celebrada en Zaragoza (España), del 15 al 20 de junio de 2019, The use of hadron therapy in cancer treatment is increasing in the world given its precise energy deposition to the tumour and the dose reduction to healthy tissue as compared to conventional photon radiotherapy. Realtime treatment monitoring is one of the main challenges addressed nowadays. The IRIS group at IFIC-Valencia is developing a Compton telescope with this purpose. The system is made of three LaBr3 detector planes coupled to silicon photomultipliers (SiPMs). The first MACACO (Medical Applications CompAct COmpton camera) prototype demonstrated the viability of the proposed technology and served to identify its limitations. The second prototype features new detectors and image reconstruction codes, improving significantly the performance [1,2]. MACACO II has been characterized in the laboratory and in beam tests. It has been tested at CNA (Sevilla) with 18 MeV proton beams on a graphite target to produce 4.4 MeV gamma rays. Data have been taken with the system in different positions and beam intensities, and the target image has been reconstructed. Further tests have been carried out at KVI-CART (Groningen) with a 150 MeV proton beam impinging a PMMA target and the Bragg peak has been reconstructed in different positions. In spite of the significant progress, the system does not yet reach the necessary performance for the application and thus, possible improvements are being assessed. Tests include the evaluation of SiPMs of different types and manufacturers to enhance energy resolution and the improvement of the readout electronics. The MADDAQ board currently employed is being replaced by AliVATA, that will allow to operate the three system detectors with just one board and improve the readout speed. In addition, tests are being carried out with the PETsys system, improving significantly the detector timing resolution.

Trabajo presentado en el IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, celebrado en Sydney (Australia), del 10 al 17 de noviembre de 2018, The IRIS group at IFIC Valencia is developing a three-layer Compton camera for treatment monitoring in ion beam therapy. The system is composed of three detector planes, each made of a LaBr3 monolithic crystal coupled to SiPM arrays. The first prototype (MACACO) was fully characterised in the laboratory and in beam tests demonstrating the feasibility of the proposed technology. A second prototype (MACACO II), described in this work, is currently being developed to improve performance. The SiPM arrays have been replaced by newer models, leading to an improved detector energy resolution which translates into a higher spatial resolution of the telescope. A new coincidence board allows acquisition of data with any two or all three detectors simultaneously. In addition, the image reconstruction code has been improved with an accurate model of the sensitivity matrix. The device has also been tested in two accelerator facilities. The first involved a proton beam of 18 MeV impinging a graphite target. The results allowed the successful reconstruction of two target positions separated by 5 mm. The second test beam used protons of 150 MeV impinging on a PMMA target. Preliminary analysis results show prompt-gamma energy spectra as expected for these proton energies. Analysis of this data is ongoing, with the aim of reconstructing the Bragg peak profilein the PMMA target. Further improvements to the readout electronics are also underway., This work was supported in part by the European Commission's 7th Framework Programme through the ENVISION project (G. A. num 241851) and by the Spanish Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (FPA2014-53599-R, FPA2017-85611-R and IFIC's Center of Excellence Severo Ochoa SEV-2014-0398). Group members are supported by Ramón y Cajal, UVEG Atraccio de Talent and Generalitat Valenciana contracts.

1. Dispositivo de adquisición de datos para dispositivos detectores de diferentes tipos, comprende: una primera placa auxiliar (P_AUX) que incluye: - un primer dispositivo detector (1), de un primer tipo; - una pluralidad de chips de lectura (2) operativamente conectada a dicho primer dispositivo detector (1) para adquirir dichos datos proporcionando una única señal de salida de los datos adquiridos; y - una unidad de conexión (5); y - una placa principal (P_PRIN) que incluye: - una unidad de control (14) adaptada para procesar datos; y - una unidad de conexión (10), para conexión de la placa principal (P_PRIN) con un dispositivo de computación remoto para transmitir a este último los datos procesados y recibir de él diferentes comandos, caracterizado porque el dispositivo comprende, además: - al menos una segunda placa auxiliar (P_AUX) que incluye: - un segundo dispositivo detector (1), de un segundo tipo, diferente del primer tipo; - una pluralidad de chips de lectura (2) operativamente conectada a dicho segundo dispositivo detector (1) para adquirir dichos datos proporcionando una única señal de salida de los datos adquiridos, y - una unidad de conexión (5), estando conectada al menos una de las placas auxiliares (P_AUX) a una placa intermedia (P_INT), conectada a su vez a la placa principal (P_PRIN), en donde dicha placa intermedia (P_INT), que es al menos una, incluye: - una primera unidad de conexión (6) configurada para recibir la señal única de salida de los datos adquiridos, de su placa auxiliar correspondiente; - una unidad de ajuste (7) configurada para adaptarla señal única de salida recibida a un protocolo de comunicación de la placa principal (P_PRIN); y - una segunda unidad de conexión (8) configurada para transmitir la señal adaptada a la placa principal (P_PRIN) y para recibir de esta última diferentes comandos; y porque - la placa principal (P_PRIN) incluye además un dispositivo de disparo (13) configurado para detectar cuando las señales únicas de salida de los datos adquiridos están disponibles, - la unidad de control (14) de la placa principal (P_PRIN) está adaptada para procesar las señales recibidas, de la placa intermedia (P_INT) y/o de una placa auxiliar (P_AUX), proporcionándoles además una etiqueta temporal y un identificador que permita distinguirlas., Consejo Superior de Investigaciones Científicas (España), Universitat de València, Alibava Systems S.L., U Solicitud de modelo de utilidad

Un factor que limita el ámbito de aplicación de la terapia hadrónica es la falta de un sistema fiable de monitorización en tiempo real. Entre otros posibles métodos que están siendo investigados, las cámaras Compton son un candidato para lograr dicha monitorización. En el marco del proyecto MACACO, el grupo IRIS ha desarrollado un prototipo de cámara Compton compacta y reconfigurable, que consta de dos o tres planos detectores basados en cristales centelleadores de LaBr3 acoplados a matrices de SiPMs. Esta tesis recoge mi investigación llevada a cabo dentro del proyecto MACACO, al cual he contribuido principalmente en dos aspectos: la evaluación del funcionamiento del dispositivo experimental y el desarrollo del software de reconstrucción empelado para el análisis y la reconstrucción de imágenes a partir de los datos medidos. Un aspecto tratado en esta tesis ha sido la caracterización del prototipo experimental desarrollado por el grupo IRIS y la evaluación de sus capacidades de imagen. En ese sentido, se ha demostrado que el sistema es capaz de posicionar correctamente fuentes radiactivas en su campo de visión. Los resultados con dos planos en el laboratorio confirman que fuentes de fotones con energías de emisión en el rango entre 511 y 1836 keV son reconstruidas con éxito. Respecto a la resolución de la imagen, en ese rango de energías los mejores resultados fueron obtenidos para los fotones de más alta energía. En el estudio con distintas distancias relativas entre la fuente y los planos se obtuvieron imágenes con mejor resolución para mayores separaciones entre planos y para menores distancias entre fuente y primer plano. En el modo de operación con tres planos, se demostró que la energía inicial del fotón puede extraerse de las medidas experimentales sin conocimiento previo, lo cual permitió la reconstrucción de imágenes de todas las fuentes medidas. El sistema también fue probado con fotones de 4.4 MeV en el centro HZDR de Dresde. Aunque la estadística acumulada en el tiempo de medida era insuficiente para la reconstrucción con coincidencias triples, imágenes del blanco en tres posiciones diferentes fueron reconstruidas con éxito con todas las combinaciones de pares de detectores, demostrando que el sistema es capaz de recuperar imágenes a esta energía. Respecto al proceso de reconstrucción de imagen, un modelo físico completo de la formación de la señal ha sido derivada para cámaras Compton de dos planos y fuentes monocromáticas de energía conocida. El modelo ha sido validado a través de comparaciones con simulaciones de Monte Carlo, donde se vio una excelente compatibilidad, y empleado para deducir una expresión para las matrices del sistema y de sensibilidad. El impacto de la matriz de sensibilidad en las imágenes reconstruidas también ha sido evaluado. En un estudio de comparación frente a otros modelos de sensibilidad utilizados en la literatura, el modelo derivado en este trabajo ha demostrado producir mejores imágenes, especialmente en la recuperación de regiones de actividad situadas fueras de la superficie del detector. El modelo físico ha sido extendido para incluir fuentes emisoras de energía desconocida, que a su vez ha sido empleado en la implementación de un código de reconstrucción espectral. El código de reconstrucción espectral es capaz de recuperar simultáneamente la distribución espacial y la emisión espectral de diversas fuentes sin conocimiento previo sobre la energía de los fotones emitidos. La evaluación del código con fuentes simuladas ha demostrado que fuentes complejas pueden ser reconstruidas con éxito cuando se utilizan datos ideales. El estudio con simulaciones también mostró que el espectro reconstruido se degrada cuando se consideran datos realistas, principalmente debido a la energía perdida, transportada por los electrones de retroceso que escapan del detector. Finalmente, la aplicación del código de reconstrucción espectral a medidas experimentales ha permitido encontrar tanto la posición como la emisión espectral de fuentes puntuales en todo el rango de energías probado. Los resultados obtenidos en este trabajo han ayudado a identificar las limitaciones actuales y a definir las líneas futuras del proyecto. Futuros desarrollos incluyen mejoras en los componentes del prototipo experimental y en los programas de reconstrucción. Además de nuevos componentes electrónicos, que permitirán mejorar la resolución temporal, se está considerando la inclusión de un sistema para medir los electrones de retroceso que escapen de los detector, motivado en parte por los resultados obtenidos con el código de reconstrucción espectral. El código de reconstrucción implementado también servirá de base para mejoras futuras. En particular, el modelo físico derivado para cámaras Compton de dos planos puede ser extendido a sistemas con tres planos y, con el objetivo de explotar al máximo el potencial del sistema experimental, un método de reconstrucción de imagen empleando todas las coincidencias dobles y triples puede ser desarrollado. En conclusión, la investigación llevada a cabo en esta tesis ha supuesto avances significativos en el proyecto MACACO, cuya aplicabilidad en monitorización del tratamiento en terapia hadrónica será determinada en los próximos años.

El trabajo presentado en esta tesis introduce y evalúa dos aspectos novedosos en los detectores de rayos gamma para imagen médica: el uso de fotomultiplicadores de silicio (SiPMs, en inglés) acoplados a cristales centelleadores continuos. Tradicionalmente, los tubos fotomultiplicadores (PMTs, en inglés) acoplados a cristales centelleadores han jugado un papel dominante en la detección de rayos gamma. En los últimos años ha aparecido un nuevo tipo de fotodetector de estado sólido, el SiPM, como opción para sustituir a los PMTs en ciertas aplicaciones. Los SiPMs tienen una ganancia y una eficiencia cuántica altas, un voltaje de operación bajo y unas propiedades temporales excelentes. Además, son dispositivos muy compactos e insensibles a los campos magnéticos. Estas propiedades hacen de los SiPMs un excelente candidato para usarlos en aplicaciones de física médica. Normalmente, la detección de los rayos gamma se lleva a cabo utilizando detectores basados en cristales centelleadores pixelados acoplados a un fotodetector segmentado porque ofrecen una manera sencilla de identificar el lugar donde ha tenido lugar la interacción. Sin embargo, en esta configuración la mejora de la resolución espacial implica la reducción de la sensibilidad, y al revés. El uso de cristales centelleadores continuos acoplados a SiPMs podría aumentar la resolución espacial y la sensibilidad al mismo tiempo, además de reducir el coste del bloque detector. El trabajo presentado se desarrolló en el grupo IRIS (Image Reconstruction, Instrumentation and Simulations for medical applications) del IFIC-Valencia. Se inició cuando el uso de los SiPMs estaba empezando y llevó a desarrollos importantes. En esta tesis, se han probado diferentes tipos de cristales centelleadores continuos acoplados a SiPMs de varios fabricantes para demostrar la viabilidad de esta tecnología en el desarrollo de nuevos conceptos de detector y aplicaciones en física médica. La mayor parte de la tesis trata el desarrollo de un prototipo PET para animales pequeños basado en cristales centelleadores continuos de LYSO y SiPMs. Además, también se presentan las primeras pruebas de un telescopio Compton basado en SiPMs y cristales centelleadores continuos de LaBr3 para la monitorización del tratamiento en terapia hadrónica. La terapia hadrónica es una técnica para el tratamiento del cáncer basada en la irradiación de los tumores con iones ligeros, normalmente protones o iones de carbono. Durante el tratamiento, las partículas del haz excitan los núcleos de los tejidos del paciente y se emiten partículas secundarias. En el proceso de desexcitación nuclear se emiten fotones en un espectro característico, siendo más abundantes en las energías comprendidas entre 1 y 7 MeV. La producción de estos fotones está correlacionada con la dosis absorbida y además tiene lugar a los pocos nanosegundos de la irradiación, por lo que su detección se puede usar para monitorizar el tratamiento en tiempo real. Un telescopio Compton se podría usar para localizar el origen de los fotones emitidos durante el tratamiento con terapia hadrónica. El grupo IRIS, dentro del proyecto europeo ENVISION, desarrolló un primer prototipo de un detector basado en cristales centelleadores continuos de LaBr3 acoplados a SiPMs para su uso en un telescopio Compton. El detector estaba compuesto por un cristal continuo de LaBr3 de tamaño 16 mm x 18 mm x 5 mm acoplado a una matriz de SiPMs, en este caso un array de MPPCs fabricado por Hamamatsu modelo S11064-050P de la misma superficie y compuesto por 16 (4 x 4) píxeles de 3 x 3 mm2. La electrónica de lectura empleada fue el ASIC SPIROC1. El detector mostraba un comportamiento lineal hasta los 1275 keV. La resolución energética obtenida fue del 7% FWHM a 511 keV y mejoraba hasta el 6.5% FWHM si se ecualizaba la respuesta de todos los píxeles del array del MPPC. La resolución temporal fue de 3.1 ns si se empleaba la señal suma de la salida del detector. La resolución espacial obtenida en toda la superficie del cristal fue de 0.7 mm FWHM. Para evaluar el rendimiento del detector en modo telescopio, se llevaron a cabo pruebas añadiendo un segundo plano de detección detrás del que se acaba de describir, trabajando ambos en coincidencia temporal. El segundo plano estaba compuesto por un cristal de LYSO de 12 mm x 12 mm x 5 mm acoplado al mismo modelo de array de MPPCs, de manera que el cristal cubría 9 de los 16 píxeles. Para estas pruebas, se usó una fuente de Na22 colocada delante del primer detector, donde los fotones sufrían dispersión Compton y después, en el segundo detector, interaccionaban a través de otra dispersión Compton o por fotoabsorción. Se obtuvieron espectros energéticos sin coincidencia temporal con el LaBr3 y con el LYSO que se usaban como referencia para realizar la calibración energética. Trabajando en coincidencia temporal fue posible recuperar el espectro de Na22. Con este prototipo también se obtuvieron imágenes de fuentes puntuales. En un escáner PET, los dos principales parámetros que hay que maximizar son la sensibilidad y la resolución espacial. El uso de cristales centelleadores continuos acoplados a SiPMs puede mejorar al mismo tiempo ambas magnitudes. Para probar esta tecnología, se desarrolló un detector basado en un cristal centelleador continuo de LYSO de tamaño 12 mm x 12 mm x 5 mm acoplado a una matriz monolítica de SiPMs de la misma superficie desarrollada en el FBK-irst y compuesta por 64 elementos distribuidos en 8 x 8 píxeles. Cada píxel tenía un tamaño de 1.5 x 1.4 mm2 con un pitch de 1.5 mm en las dos direcciones. La electrónica de lectura empleada fue el ASIC MAROC2. Se hicieron pruebas con cristales centelleadores pintados de distintos modos para evaluar su rendimiento: blanco, negro y blanquinegro. El cristal blanco fue el que mejores resultados ofreció, con un comportamiento lineal hasta los 1275 keV, una resolución energética del 15% FWHM a 511 keV, una resolución temporal de 6 ns FWHM y una resolución espacial de 0.7 mm FWHM. El algoritmo de determinación de la posición empleado demostró que era capaz de reconstruir la posición de interacción con una resolución espacial mejor que un milímetro, incluso cerca de los bordes del cristal y sin necesidad de calibración previa. Para obtener imágenes tomográficas, se montaron dos detectores con los cristales blancos enfrentados a una distancia de 45.8 mm, unidos entre sí a través de un soporte de metacrilato, el cual giraba solidariamente junto con una mesa de rotación, de manera que cubrían seis posiciones angulares desde 0º a 150º en pasos de 30º. La FWHM de las imágenes obtenidas fue cercana a 1 mm. También se llevaron a cabo simulaciones con GEANT4 que incluían la generación y el transporte de fotones ópticos. Una vez se tuvo una simulación válida para cristales cuboides, se simularon cristales trapezoidales para reducir con ellos el espacio entre detectores y de esa manera aumentar la sensibilidad en un anillo completo. Además, también se consideró colocar el fotodetector en la superficie de entrada del cristal, lo que se espera que mejore el rendimiento. Los resultados de las simulaciones se compararon con datos reales, principalmente en términos de distribución de la luz y de determinación de la posición en el cristal. Los resultados obtenidos con las simulaciones de cristales trapezoidales mostraron una distribución de la luz distinta para cada geometría, como era de esperar, reproduciendo los datos experimentales. Esto demostró que la simulación se podía usar con cristales trapezoidales. Sin embargo, el algoritmo de determinación de la posición que se empleó era el mismo que se había desarrollado para cristales cuboides y no estaba adaptado para las particularidades geométricas de los cristales trapezoidales. Tanto la aplicación de terapia hadrónica como la de PET alcanzaron un punto en el que la electrónica de lectura que se empleaba en los detectores necesitó aumentar el número de canales. En esta situación, la solución fue desarrollar un sistema de adquisición de datos (DAQ) que usase el mismo ASIC para las dos aplicaciones. Esto permitía unificar las dos líneas de investigación y continuar con los desarrollos dentro del grupo de investigación. El principal problema era que la aplicación para terapia hadrónica hacía uso de arrays de MPPCs con una polaridad de salida positiva, mientras que la aplicación para PET empleaba matrices de SiPMs con una polaridad de salida negativa. El ASIC VATA64HDR16 se escogió por varias razones: tenía un número de canales lo suficientemente amplio, era capaz de trabajar con señales de entrada positivas y negativas y permitía ajustar el voltaje de operación de cada canal de forma independiente. Además, el grupo IRIS tenía experiencia con otros chips de la misma familia para otras aplicaciones y previamente había desarrollado una tarjeta de adquisición que se podía adaptar para controlar este ASIC. Para las pruebas se usó un array de MPPCs de Hamamatsu modelo S11064-050P compuesto por 16 (4 x 4) píxeles de 3 x 3 mm2 acoplado a cristales de LYSO y de LaBr3 de 16 mm x 18 mm x 5 mm. La particularidad de este modelo de MPPC es que el ánodo y el cátodo son independientes, por lo que dependiendo del esquema de alimentación se pueden conseguir señales de salida positivas o negativas y así evaluar el rendimiento del ASIC para cada una de ellas. Se llevaron a cabo pruebas de rango dinámico, de resolución temporal, de ecualización de la respuesta del detector, de selección del tiempo de retardo a la retención y estudios de resolución energética. Las pruebas llevadas a cabo permitieron comprobar que el rendimiento de este ASIC para señales negativas era limitado y que estaba optimizado para señales positivas. Además, su respuesta temporal mostraba una fuerte dependencia de la amplitud de la señal de entrada (timewalk). Aunque el rendimiento del ASIC VATA64HDR16 no era óptimo, cumplía con los requisitos para nuestras aplicaciones. Basado en los resultados obtenidos con el primer prototipo, se desarrolló un segundo prototipo de PET para animales pequeños con el objetivo de hacerlo escalable a una geometría de anillo completo. Las principales diferencias fueron el uso del ASIC VATA64HDR16 como electrónica de lectura y la sustitución de las matrices de SiPMs por una nueva versión que mejoraba significativamente varios parámetros del fotodetector. Las matrices de SiPMs se cambiaron por las AdvanSiD ASD-RGB1.5S-P-8x8A que estaban compuestas de 64 píxeles (8 x 8) de tamaño 1.45 x 1.45 mm2 Los cristales centelleadores continuos empleados eran de LYSO pintados de blanco y tenían unas dimensiones de 12 mm x 12 mm x 10 mm. Los detectores se ensamblaron en el IFIC-Valencia y se realizaron las primeras pruebas de caracterización. Después, el sistema se envió a la Universidad Técnica de Múnich (TUM) para probarlo con fuentes puntuales y FDG. Para obtener imágenes tomográficas se montaron dos detectores con los cristales blancos enfrentados. Se aumentó la distancia a 61.1 mm, de manera que cubrían ocho posiciones angulares desde 0º a 157.5º en pasos de 22.5º. Las pruebas realizadas permitieron unas condiciones aceptables para la obtención de imágenes. Las imágenes reconstruidas de fuentes puntuales de Na22 obtenidas con los cristales continuos blancos de 10 mm de grosor mostraban una FWHM de 1 mm. Además, se hicieron pruebas con FDG y un fantoma que consistía en un cilindro de metacrilato de 12 mm de diámetro con 9 agujeros dispuestos en una matriz de 3 x 3. El diámetro de los agujeros era de 1.2 mm y la distancia entre centros de 2.4 mm en ambas direcciones. Se taparon todos los agujeros menos dos, situados en esquinas opuestas, que se llenaron con FDG. Con los cristales de 5 mm de grosor consiguió distinguir la estructura de los agujeros llenos con FDG. Las pruebas con FDG fueron un intento de estudiar el funcionamiento del prototipo con fuentes líquidas, comprobar las limitaciones del sistema e identificar los problemas a resolver. El uso de matrices con señales de salida negativas limitaba mucho el rendimiento del ASIC VATA64HDR16. En resumen, el desarrollo de esta tesis ha sido esencial para evaluar tecnologías y conceptos de detector que estaban siendo investigados por un reducido número de grupos de investigación en ese momento y que ahora ha despertado un interés creciente en el campo con la contribución aquí expuesta. Los resultados obtenidos en este trabajo han dado un soporte experimental muy fuerte a las líneas de investigación del grupo IRIS y llevarán a nuevos desarrollos y mejoras en esas líneas en el futuro.