PETs compatibles con altos campos magnéticos

Otro de los ámbitos en donde está surgiendo una importante investigación en PET es en el desarrollo de detectores compatibles con altos campos magnéticos para imagen multimodal MRI/PET. Una de las principales razones del éxito comercial de los escáneres PET comenzó gracias al desarrollo de la imagen multimodal PET/CT. Las ventajas de la fusión de ambos sistemas de imagen son ampliamente conocidas. Los sistemas PET proporcionan una alta sensibilidad (10-11_-10-12 _{mol/l) en imágenes}

funcionales y en actividad de neuroreceptores, mientras que los detalles morfológicos de la imagen se observan con CT de alta resolución. Gracias a la experiencia tan positiva de los escáneres PET/CT, se han construido también escáneres SPECT/CT y se ha incrementado el interés en otro tipo de imágenes multimodales, como el MRI/PET, que aportan algunas ventajas con respecto a un equipo tradicional de PET/CT. En particular, con la fusión de los equipos PET y MRI se consigue un mejor contraste en los tejidos blandos y una buena diferenciación de la materia gris y blanca del cerebro, junto con la eliminación del riesgo asociado a la radiación ionizante que reciben los pacientes que se someten a un escáner CT [62]. Además, a diferencia del CT, las imágenes de MRI tienen varios modos de operación y técnicas diferentes para visualizar los detalles anatómicos. Aparte de la información morfológica, una imagen de MRI tiene la capacidad de mostrar informaciones adicionales bien diferentes. Por ejemplo, con la técnica de MRI funcional (functional MRI, fMRI) se obtienen medidas del flujo sanguíneo cerebral [63], con imágenes de tensor de difusión (Difussion Tensor Imaging, DTI) se puede observar la estructura de las fibras nerviosas in vivo [64] o gracias a espectroscopía de resonancia magnética (Magnetic Resonance Spectroscopy, MRS) se pueden obtener medidas de componentes bioquímicos específicos in vivo [65]. Además, las imágenes de MRI también pueden usarse para correcciones de atenuación y dispersión de las imágenes PET, eliminando así la necesidad de hacerlo a través de

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lentas adquisiciones de transmisión PET, lo que es un factor importante que hace que la integración de MRI con PET sea factible como una alternativa real al CT [66]. Por estas amplias potencialidades clínicas existe interés en el desarrollo de tecnología MRI/PET, aunque sus aplicaciones concretas en humanos aún no están claramente definidas [67].

Inicialmente, los primeros pasos en imagen multimodal MRI/PET se realizaron a nivel de programas informáticos (software, SW), al posibilitar la superposición de imágenes adquiridas con diferentes escáneres [68], en lo que se conoce como corregistro de imágenes. Con el corregistro se extrae información de algunas regiones concretas y de los contornos de las imágenes PET y MRI. Aunque esta fusión de imágenes es posible, en ocasiones es relativamente problemática debido a la reducida información de contorno presente en la imagen PET y a las dificultades para obtener algoritmos automáticos para encontrar una función unívoca que asigne las intensidades de los voxeles de MRI a la imagen PET [69]. Además, este método obliga necesariamente a una adquisición secuencial.

Aparte de esta primera aproximación SW al problema, hay varias posibilidades de diseños de sistemas MRI/PET combinados [70]. El método más simple consiste en mitigar la interferencia entre ambos sistemas para que puedan estar alojados en una misma sala MRI/PET, de forma que se permita una solución en tándem, con los dos escáneres colocados consecutivamente para realizar adquisiciones secuenciales en tiempo, como en un PET/CT. Esta solución se ha implementado comercialmente por Philips, bajo el nombre de Ingenuity TF PET/MR [71]. Su principal deficiencia es la ausencia de simultaneidad de las imágenes, lo que no permite realizar correcciones de los efectos producidos por el movimiento del paciente ni la posibilidad de realizar estudios dinámicos. Para salvar estas limitaciones, existen soluciones más complejas a nivel de equipos físicos (hardware, HW) que apuntan a la operación simultánea de los equipos MRI y PET. En este caso, hay que considerar las interferencias entre ambas modalidades.

Por una parte, es necesario tener en cuenta las restricciones que provoca un sistema de MRI sobre un sistema PET [67]: los sensores deben ser insensibles a los campos magnéticos, la electrónica frontal debe estar apantallada para proteger al PET de los pulsos de radiofrecuencia (Radio Frequency, RF) de la MRI. Además, el campo magnético variable de una MRI (B1) puede producir corrientes parásitas en elementos

31 lo que puede obligar al rediseño de la electrónica PET. Además de provocar interferencias, éstas corrientes pueden producir un aumento de temperatura y de la vibración mecánica del equipo PET. Estos efectos pueden afectar al diseño electrónico PET.

Por otra parte, el sistema PET también debe tener en cuenta algunas consideraciones para no afectar las características de la MRI. Todos los materiales en la electrónica frontal alojada dentro del anillo de MRI deben estar basados en componentes no magnéticos para no causar no homogeneidades en el campo principal (B0). Además, las corrientes parásitas pueden producir también distorsiones del campo

principal y en la linealidad de los gradientes. A su vez, en el diseño PET se deben evitar relojes y señales de frecuencias en el rango de detección de la MRI.

Los primeros prototipos de HW MRI/PET fueron diseñados usando fibras ópticas que conducían la luz generada por los centelleadores hacia los PMTs. Para esta solución, los PMTs se colocaban fuera del campo magnético producido por la MRI. En estos prototipos el problema se centraba en la atenuación de la luz generada al tener que ser conducida varios metros de distancia desde los centelleadores hasta los PMTs, así como en la necesidad de que los PMTs toleren campos magnéticos bajos, en el rango de unos pocos mT [72]. Aunque este problema desemboca en una resolución temporal y energética limitada, gracias a estos primeros prototipos se pudo probar la viabilidad MRI/PET e incluso algunos escáneres PET, como el microPET, fueron modificados y reutilizados para realizar pruebas MRI/PET, dando lugar a equipos duales como el microPET-MR [73]. La siguiente aproximación al problema fue usar fotodetectores insensibles a altos campos magnéticos, APDs o SiPMs. En estos casos podemos distinguir dos diseños. Por una parte, el desarrollo de insertos PET que puedan ser utilizados dentro de escáneres MRI convencionales. Por otra, equipos MRI/PET dedicados exclusivamente a este tipo de imagen multimodal, los cuales aparecen completamente integrados en un único equipo. En ambos casos, los detectores PET se deben colocar en la parte externa de las antenas que generan los pulsos de RF con el fin de evitar materiales conductivos en la región de interés de la MRI, que puedan causar heterogeneidades en los campos magnéticos (Fig. 5). Sin embargo, incluso en este caso, se produce un fino desajuste de las antenas de RF [74], que conlleva a un ajuste del campo magnético en el interior del anillo (conocido como shimming) o un pequeño rediseño del HW MRI [70].

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Fig. 5. Diferentes aproximaciones al diseño de sistemas MRI/PET combinados: Una solución tándem, un inserto PET y un equipo MRI/PET perfectamente integrado y simultáneo (izquierda, centro y derecha) [70].

Existen varios prototipos PET que utilizan detectores de semiconductor compatibles con altos campos magnéticos, así como equipos MRI/PET de investigación y sistemas comerciales MRI/PET. En investigación, muchos de estos equipos se han centrado en imagen para pequeños animales [75], [76], [77], pero también existen desarrollos específicos para mamografía [78], [79] y para estudios de cerebro [80]. Algunos ejemplos de estos PET basados en APDs son:

 _{RatCAP: El pequeño escáner RatCAP se desarrolló en el laboratorio Nacional}

de Brookhaven para el estudio neurofisiológico del cerebro de ratas despiertas, de tal manera que las funciones cerebrales del animal no se vieran afectadas por la anestesia. El diámetro de este escáner era de tan solo 4 cm, con módulos detectores basados en APDs de Hamamatsu [81] S8550 y en cristales de LSO:Ce de 2,3 x 2,3 x 5 mm3 _[76].

 _{ClearPEM: Es un escáner planar para mamografía instalado en los hospitales de}

Coimbra y Monza. Este escáner consta de 192 módulos detectores basados en las mismas matrices de APDs de Hamamatsu [81], las cuales se acoplan a ambos extremos de cristales segmentados de LYSO:Ce de tamaño 2 x 2 x 20 mm3_{. Con este esquema, la}

información de la profundidad de interacción se obtiene a partir del ratio de las amplitudes obtenidas con los APDs enfrentados, proporcionando una resolución DOI de 2,2 mm FWHM. La resolución energética obtenida con este escáner es de 16 % FWHM y la resolución temporal de 5,2 ns FWHM [79].

 MadPET II: Este escáner para pequeños animales se desarrolló en la

Universidad de Munich con los mismos APDs. Es un único anillo de 7,2 cm de diámetro, que tiene 18,1 mm de cobertura en el eje axial y 18 módulos detectores. Cada uno, consiste en dos capas de detectores apiladas radialmente, en donde la capa interna está formada por centelleadores de LSO de 2 x 2 x 6 mm3 y la capa externa por LSO de 2 x 2 x 8 mm3_{. La resolución energética variaba entre 20,2 % y 23,9 % FWHM y la}

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 _{LabPET: Este escáner para pequeños animales está basado en cristales}

phoswich de LYSO:Ce y ortosilicato de gadolinio dopado con cerio (Cerium-doped

Gadolinium Orthosilicate, GSO:Ce) de tamaño 2 x 2 x 12/14 mm3_{. La resolución}

energética para los cristales de LYSO:Ce es de 24,0 % FWHM mientras que la resolución temporal es de 6,6 ns FWHM [77].

Ejemplos de PETs basados en SiPMs son los siguientes:

 Universidad Seúl: Inserto PET para pequeños animales para imagen simultánea

MRI/PET con 13 cm de diámetro. En [83] se muestran los primeros resultados con mínima interferencia entre equipos, con un valor medio de resolución temporal en coincidencia de 1,23 ns FWHM y una resolución energética de 13,9 % FWHM.

 Universidad Osaka: Varios centros japoneses trabajan conjuntamente en el

desarrollo de un prototipo semejante con detectores phoswich con segmentos de 1,6 mm para un anillo de 6,8 cm de diámetro y una sensibilidad del 0,6 % [84].

 HYPERImage: Es un proyecto europeo muy ambicioso que engloba a 3 centros de

investigación y 3 universidades junto con la empresa Philips. Se centra en el desarrollo de un MRI/PET simultáneo, con tiempo de vuelo y corrección en tiempo real del movimiento de los órganos. HyperImage tiene por objetivo ampliar campos de aplicación del MRI/PET, también en terapia guiada y monitorización.

 _{SuperArgus PET/MR: Este escáner combinado no simultáneo de la empresa}

Sedecal [85] está diseñado para el estudio de pequeños animales. Gracias a una tecnología phoswich para la determinación de la DOI es capaz de proporcionar una resolución espacial submilimétrica a lo largo del FoV necesario para observar el cuerpo entero de un ratón. La resolución temporal del mismo es de 1,5 ns y su sensibilidad de 6,5 %.

En relación con escáneres PET dedicados a cerebro, existen actualmente pocos modelos comerciales. Desde 2003, existe un modelo comercial de un sistema de diagnóstico único PET no compatible con campos magnéticos, denominado CPS/Siemens HRRT, y el modelo de MRI/PET de Siemens (BrainPET), un inserto desarrollado con APDs, que existe desde 2008.

Por otra parte, desde el punto de vista comercial, Siemens Healthcare desarrolló el primer equipo PET/MRI (mMR) con adquisición simultánea para cuerpo entero [86],

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basado en APDs. Posteriormente, General Electric (GE) ha implementado un MRI/PET clínico de cuerpo entero con tiempo de vuelo basado en SiPMs [87].