Detector e instrumentação com processamento digital de pulsos para tomografia por emissão de pósitrons (PET) dedicada a estudos pré-clínicos

Resumo

A tomografia por emissão de pósitrons (PET) é uma técnica não-invasiva que gera imagens da concentração de moléculas biologicamente ativas em organismos vivos, fornecendo informações fisiológicas e metabólicas. Sistemas PET dedicados para uso pré-clínico têm aplicação na pesquisa científica, como o estudo do Câncer e o desenvolvimento de fármacos, incluindo novas terapias genéticas e moleculares. A tecnologia PET tem sido combinada com a tomografia computadorizada (CT) e a ressonância magnética (MRI), ampliando o número de aplicações e otimizando a qualidade da imagem. Assim, desafios têm surgido, como a necessidade de inserir o detector PET dentro do campo magnético gerado pelo magneto de MRI, o que implica no uso de componentes compactos e compatíveis eletromagneticamente, tais como as fotomultiplicadoras de silício (SiPM). Existem também pesquisas para desenvolver sistemas PET utilizando instrumentação para aquisição de dados (DAQ) com Processamento Digital de Pulsos (PDP), por meio de FPGA ("Field Programmable Gate Array"). Comparado com sistemas analógicos, um sistema PET com PDP fornece alto grau de confiabilidade e permite uma maior faixa dinâmica, ruído reduzido e tempo de resposta similar ou superior, aliando baixo consumo de energia e alta densidade de componentes. Também é possível reconfigurar cada canal de aquisição sem a necessidade de qualquer mudança em hardware, reduzindo custos e tempo para a confecção de um protótipo. Esta proposta tem o objetivo de projetar e desenvolver detector e instrumentação com PDP para a tecnologia PET, que serão avaliados por meio de um protótipo PET, a ser construído como prova de conceito. A compatibilidade com a MRI será obtida com o uso de SiPMs e, para reduzir custos e tamanho do sistema, cada módulo detector PET será constituído de um cristal cintilador monolítico acoplado a uma matriz de SiPMs, com leitura dos sinais em soma de linha e coluna por meio de um módulo de readout, a ser desenvolvido nesta fase do projeto, fornecendo uma topologia que reduz o número de canais do sistema e, consequentemente, o custo envolvido com os componentes para o processamento de sinais. Os sinais de cada matriz de SiPMs serão coletados e processados por um módulo DAQ com PDP. O módulo DAQ, desenvolvido na fase 1 do programa PIPE, para detecção de radionuclídeos será adaptado e aperfeiçoado para sistemas PET nesta etapa do projeto. Por fim, os dados de cada módulo serão enviados para um host para a reconstrução da imagem. A avaliação do conceito será realizada no Laboratório de Física Nuclear Aplicada (LFNA) do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN). O sistema PET terá performance otimizada usando algoritmos sofisticados de PDP e de reconstrução de imagens. O sistema será compacto e com custo reduzido em relação aos existentes no mercado, pois usará sistema DAQ modular e cristais cintiladores monolíticos. São esperadas como características do sistema: uma resolução de tempo em coincidência abaixo de 0,8 ns, resolução espacial abaixo de 1 mm e sensibilidade de detecção superior a 4%. (AU)