Simulation study of a wide axial field of view positron emission tomography system based on resistive plate chamber detectors

Abstract

O presente trabalho teve por objectivo avaliar, através de simulações em GEANT4, os parâmetros de desempenho de um tomógrafo de Tomografia por Emissão de Positrões (PET) com 2400 mm de comprimento do Campo de Visão Axial (AFOV), baseado em detectores do tipo Câmaras de Placas Resistivas (RPC). Para estabelecer uma base de comparação para esse estudo, investigou se a dependência da sensibilidade a coincidências verdadeiras de um tomógrafo baseado em detectores de BGO em função do ângulo polar de aceitação e do comprimento do AFOV, segundo as normas NEMA NU2 1994. O tomógrafo foi definido como um anel de tungsténio de modo a obter os pontos de entrada dos fotões, tendo-se usado factores de correcção para ter em conta a fracção de empacotamento e a eficiência de detecção em função da segmentação do tomógrafo GE Advance®. Concluíu se que a sensibilidade para eventos verdadeiros é dominada pelo ângulo sólido, aumentando significativamente com o comprimento do AFOV e com o ângulo polar de aceitação, enquanto a Fracção de Radiação Dispersa (SF), se revelou quase independente da geometria, dependendo no entanto do ângulo polar de aceitação. A sensibilidade para coincidências verdadeiras obtida para um AFOV de 2400 mm e plena aceitação no ângulo polar foi cerca de 100 vezes maior que a do tomógrafo GE Advance®. Complementarmente desenvolveu se um modelo analítico simples para a sensibilidade a coincidências verdadeiras que revelou um acordo razoável com os dados de simulação. De seguida fez-se um estudo semelhante para um tomógrafo baseado em detectores de RPC, tendo o mesmo sido definido de maneira análoga. As eficiências de detecção foram obtidas simulando uma pilha de 121 placas de vidro (400 µm de espessura) separadas por 120 camadas de gás (350 µm de espessura). Verificou se que a sensibilidade para coincidências verdadeiras seguia a mesma tendência apresentada pelo tomógrafo baseado em detectores de BGO, atingindo para os 2400 mm de AFOV e plena aceitação no ângulo polar uma sensibilidade cerca de 20 (5) vezes mais elevada do que no caso do tomógrafo GE Advance® usando um ganho de TOF de 4,4 (sem ganho de TOF), e uma SF de 46,4%, excluindo a dispersão no detector. Procedeu se então a simulações detalhadas com vista à optimização do detector RPC a usar num tomógrafo PET de forma paralelepipédica definido por quatro cabeças de detecção com um AFOV de 2400 mm. Cada cabeça de detecção contém uma pilha de 20 detectores RPC, cada um com dois módulos de detecção com 5 camadas de gás (350 µm de espessura) delimitados por 6 placas de vidro. Definiram se os materiais e as espessuras para as camadas isoladoras, os eléctrodos de alta tensão e os de recolha de sinal, tendo se obtido um espessura óptima de 200 µm para as placas de vidro para detecção de fotões de 511 keV, e uma fracção de eventos mal identificados de 32% para uma distância das Linhas de Resposta (LORs) ao ponto de aniquilação igual ou inferior a 2 mm. Estudou-se também a resolução espacial do referido tomógrafo com simulações detalhadas em GEANT4. Os dados de simulação foram processados por forma a ter em conta a electrónica de leitura dos protótipos de RPCs desenvolvidos para teste. As coincidências foram efectuadas recorrendo a um classificador de coincidências de janela temporal simples, aceitando se as LORs com ângulo polar igual ou inferior a 9º. Avaliou se a resolução especial de acordo com as recomendações da norma NEMA NU2 2001, mas considerando apenas uma fonte pontual com 1 µm de diâmetro localizada no centro de uma esfera de polymetil metacrilato com 2 mm de diâmetro, que foi posicionada no plano transaxial central, desviada 100 mm do eixo segundo as duas direcções do referido plano. A resolução espacial encontrada foi de 0,9, 1,4 e 2,1 mm, respectivamente, para um segmentação do detector de 0, 1 e 2 mm nas direcções transaxial e axial, e de 3,44 mm na direcção radial. Estudou se ainda a SF, as taxas de contagem e a Taxa de Contagem Equivalente de Ruído (NECR) do tomógrafo já descrito, seguindo as normas NEMA NU2 2001. Os dados de simulação foram processados de modo a ter em conta a electrónica de leitura do detector. O melhor esquema de processamento para optimizar o NECR consistiu em efectuar as coincidências recorrendo a um classificador de coincidências do tipo janela temporal múltipla, aceitação total no ângulo polar, rejeição das LORs cujo o ponto reconstruído directamente por TOF cai fora de uma região de interesse com 2 cm de margem relativamente às dimensões do fantoma, e aceitando todos os possíveis pares de coincidências, incluindo todas as combinação possíveis retiradas das coincidências múltiplas. Considerando um tempo morto para a leitura em posição de 3.0 µs e para o fantoma NEMA NU2 2001, obteve se uma SF de 51.8% e um pico de NECR de 167 kcps a ~7.6 kBq/cm3. Para um fantoma similar mas estendido axialmente até aos1800 mm, a SF obtida foi de 53.7% e o pico de NECR de ~164 kcps a ~3.0 kBq/cm3.