Actualmente la tomografía por emisión de positrones (PET, por sus siglas en inglés) goza de una reputación inigualable en el ámbito clínico para el diagnóstico y seguimiento de enfermedades. Esto es debido a su capacidad de proveer imágenes con información funcional que permite identificar con precisión la ubicación de focos de captación de un radiofármaco, lo que puede indicar la presencia de malignidades a nivel celular. Esta técnica de imagen complementa las distintas herramientas de diagnóstico médico para caracterizar el estado de una enfermedad con gran sensibilidad y especificidad, lo que le ha dado una aceptación y extensión hoy en día por los médicos especialistas. Para que las imágenes de PET reflejen cuantitativamente la concentración de actividad del radiofármaco se requirió de una cantidad innumerable de avances científicos y tecnológicos, desarrollados en conjunto y en colaboración por especialistas de distintas áreas del conocimiento incluyendo físicos, matemáticos, ingenieros, expertos computacionales, químicos, bioquímicos y médicos. Como en todas las técnicas, siempre hay alcances y limitaciones y, por lo tanto, oportunidades de mejora.
En este proyecto se plantea profundizar en un tema de investigación original relacionado con la física de los detectores de los escáneres PET que promete ser una mejora importante en estos equipos. Los detectores deben tener la capacidad de detectar a los fotones de alta energía provenientes de la aniquilación positrón - electrón en el paciente. Para esto, los detectores están conformados de cristales centelladores, un material con propiedades físicas apropiadas para favorecer la interacción fotoeléctrica y útil para la detección en coincidencia. En la búsqueda de materiales con estas propiedades fue como se desarrolló el oxiortosilicato de lutecio con itrio (LYSO), un cristal de crecimiento artificial que utilizan prácticamente todos los equipos clínicos y preclínicos actuales, así como prototipos en desarrollo. Este material, además de tener propiedades convenientes para los detectores en PET, posee otras que lo convierten en un objeto de estudio en sí mismo y cuyo entendimiento puede tener un impacto directo en las imágenes tomográficas producidas.
Una de las propiedades más interesantes del LYSO es que en su composición elemental contiene lutecio, del cual aproximadamente el 2.6% es Lu-176. Éste es un isótopo radiactivo del lutecio, que en su proceso de decaimiento al hafnio-176 emite partículas beta, rayos gamma y electrones de conversión interna siguiendo un esquema de decaimiento determinado. Al formar parte de los detectores de un equipo PET, el cristal tiene la capacidad de detectar su propia radioactividad natural produciendo una señal de fondo constante. Este fondo está presente en los estudios PET y generalmente su impacto es poco significativo debido a que la actividad de los cristales es generalmente mucho menor que aquella debida al radiofármaco administrado a los pacientes. Sin embargo, hay situaciones en las que la actividad intrínseca del LYSO compite con la de los pacientes, como en equipos dedicados a estudiar órganos específicos. Además, el estudio de la radiación de fondo de los cristales podría aprovecharse convenientemente de distintas maneras, incluyendo la calibración de los detectores mismos o para establecer controles de calidad.
En el grupo del Laboratorio de Imágenes Biomédicas del Instituto de Física, UNAM se ha estudiado la radiación natural de los cristales de LYSO. El análisis metódico ha producido resultados palpables en artículos científicos, tesis de alumnos de licenciatura y en un modelo analítico que permite entender la estructura de los espectros en energía de fondo. Esta nueva línea de investigación surgió de observar estos espectros durante el desarrollo de prototipos de microPET y actualmente en el desarrollo de un prototipo de mamografía por emisión de positrones (PEM). De hecho, el prototipo de PEM es precisamente un ejemplo de un equipo dedicado en el que la actividad natural de los cristales es de magnitud similar a la actividad debida a la captación del radiofármaco por la glándula mamaria. En esta propuesta se propone profundizar y ampliar el estudio de la radiactividad de los cristales, así como en otras de sus propiedades físicas, un proyecto que tiene el potencial de tener un impacto social importante a través del beneficio de los pacientes que por indicación médica requieren de un estudio PET.
En este proyecto se plantean estudios novedosos importantes para la optimización del funcionamiento de detectores de radiación que se utilizan en equipos de imagen de medicina nuclear. Los resultados de este proyecto pueden tener un impacto en la calidad de imagen que ofrecen en equipos comerciales y prototipos de investigación, incluyendo el prototipo de mamografía por emisión de positrones que se desarrolla en el Laboratorio de Imágenes Biomédicas del Instituto de Física UNAM. Por ejemplo, la investigación de la radiación natural de los cristales de LYSO se podría utilizar para desarrollar un método de calibración sin la necesidad de utilizar fuentes de radiación externa, con lo que se disminuirán costos en la compra y reemplazo de las fuentes y se reduciría la exposición de técnicos y físicos médicos que actualmente tienen que manipular las fuentes de radiación para la calibración. El método, además permitiría obtener una calibración más precisa, así como la resolución en energía en el intervalo de energías de 0 a 1200 keV. Adicionalmente, los estudios sobre el fondo de los cristales pueden ser utilizados para implementar métodos de control de calidad de los detectores de los escáneres PET actuales. La investigación acerca de la geometría de los cristales tendría una aplicabilidad universal, pues permitiría obtener el espectro de fondo de cualquier cristal con tan solo conocer su cociente volumen a superficie. Un ejemplo reciente de esto consiste en la optimización de detectores para aplicaciones en espectroscopía de neutrones solares [Mitchell et al 2021].
Por otro lado, la investigación de la birrefringencia en el LYSO así como el desarrollo de métodos para su eliminación durante el grabado de cristales para su pixelización, puede rendir frutos importantes. Con esta propuesta se busca producir una calidad de grabado uniforme, con lo que se obtendría una mejor pixelización y con ello una mejor resolución espacial de las imágenes. La optimización de esta técnica brindaría la oportunidad de crear otros grabados innovadores, por ejemplo, grabados por capas para obtener información de la profundidad de interacción, lo que puede traducirse en una mejor calidad de las imágenes tomográficas a través de la reducción de errores de paralaje y, por lo tanto, una determinación más precisa de las líneas de respuesta.
Es importante destacar que estas líneas de investigación son importantes para los proyectos de nuestro grupo, pero también pueden tener un impacto muy amplio debido a que los resultados que se consigan en este proyecto podrán ser aplicados por otros grupos de investigación que desarrollen detectores y sistemas de imagen con cristales centelladores como el LYSO.