A tomografia por emissão de positrão (PET, do inglês positron emission tomography) dedicada à imagiologia não-invasiva in vivo de modelos animais é uma ferramenta essencial nas atividades de investigação, contribuindo para a caracterização de modelos de patologias humanas, desenvolvimento e validação de novos medicamentos e radiofármacos, e avaliação da eficácia e segurança de novas terapêuticas. Por forma a garantir uma quantificação precisa que conduza a resultados experimentais robustos, reprodutíveis e confiáveis, a avaliação do desempenho destes tomógrafos pré-clínicos é obrigatória, particularmente em novos modelos ou aquando de melhorias de hardware/software. Deste modo, a presente tese tem como principal objetivo avaliar o desempenho do easyPET.3D, um sistema PET de alta-resolução inovador dedicado à imagiologia de murganhos. Para tal, concretizou-se um estudo experimental preliminar para otimizar a sensibilidade e a resolução espacial, através do estudo dos parâmetros de operação relacionados com o movimento dos motores. Posteriormente, procedeu-se à avaliação do desempenho do equipamento de acordo com as Normas NU 4-2008 da National Electrical Manufacturers Association (NEMA). Esta propõe um conjunto de procedimentos para avaliar o desempenho de sistemas PET dedicados a pequenos animais, que avaliam características-chave como a resolução espacial, sensibilidade, taxa de contagem, fração de dispersão, e a qualidade de imagem. Adicionalmente, foram realizados estudos in vivo num modelo animal (murganhos de várias estirpes) com diferentes radiofármacos para demonstrar o desempenho do tomógrafo PET em aplicações distintas. Para otimizar a sensibilidade e a resolução espacial do easyPET.3D, verificouse que o designado motor fan, responsável pela rotação em leque durante a aquisição, deve operar a 20 passos por segundo, com um ângulo entre 0,014° e 0,056°. O motor axial, que efetua a rotação axial durante a aquisição, pode operar entre 0,9° e 9,0° (aquisição mais rápida ou mais lenta) de acordo com o objetivo do estudo. Além disso, determinou-se que uma janela de energia de 200–750 keV permite maximizar a sensibilidade (3 x) sem deteriorar significativamente a fração de dispersão (+ 35%). Em contraste, o protocolo de aquisição dificultou a conclusão sobre o efeito do alcance do positrão. Relativamente à avaliação do desempenho do easyPET.3D de acordo com as recomendações da NEMA, foi reportada uma resolução espacial de 0,81 mm3 no centro do campo-de-visão, um pico de sensibilidade absoluta de 0,23%, uma taxa de contagem equivalente de ruído de 913 contagens por segundo a uma atividade de 18 MBq, uma uniformidade de 17,6%, coeficientes de recuperação no valor de 0,21 para o capilar de menor dimensão (1 mm) e de 0,85 para o capilar de maior dimensão (5 mm), e ainda um rácio de spill-over para a água de 0,49 e para o ar de 0,40. Apesar da baixa sensibilidade, a linearidade do easyPET.3D é adequada para as atividades tipicamente empregues em estudos PET de pequenos animais (7–8 MBq) e a resolução espacial submilimétrica é comparável à de sistemas comercialmente disponíveis, cujo preço de aquisição é bastante superior (x 10). Antes de se iniciarem os estudos experimentais em murganhos, elaborou-se um protocolo global para a preparação e o cuidado dos animais antes, durante e após um estudo PET com o radiofármaco gold standard, 2-Deoxy-2-[¹⁸F]fluoroglucose. De seguida, diferentes traçadores foram administrados em murganhos saudáveis com o intuito de aceder aos respetivos padrões de biodistribuição. A visualização de pequenas estruturas, tais como o estriado no cérebro, a parede do ventrículo esquerdo e as vértebras, comprovaram a alta-resolução do easyPET.3D e o seu potencial para aplicação em modelos animais. Finalmente, realizaram-se estudos PET longitudinais em grupos de animais inseridos em investigações pré-clínicas nas áreas de oncologia e neurologia. Por um lado, o equipamento permitiu diferenciar lesões benignas e malignas, bem como tecido maligno e necrosado por forma a que a decisão terapêutica fosse precoce e precisa; por outro lado, lesões cerebrais estruturais induzidas por uma dose aguda e baixa de cocaína foram correlacionadas com alterações do metabolismo cerebral sinalizadas pelo sistema. Em conclusão, os resultados obtidos nesta tese demonstram que o desempenho do easyPET.3D é comparável ao de sistemas comerciais, revelando potencial para aplicação em investigação pré-clínica. Contudo, estudos de avaliação adicionais devem ser efetuados de modo a validar os resultados preliminares obtidos e aumentar as perspetivas de aplicação deste sistema PET de alta-resolução, compacto e económico.

Positron emission tomography (PET), dedicated to non-invasive in vivo imaging of animal models, is an essential tool in research activities, contributing to the characterization of models of human pathologies, development and validation of new medicines and radiotracers, and evaluation of the efficacy and safety of novel therapies. To guarantee accurate quantification leading to robust, reproducible, and reliable experimental results, evaluating the performance of these preclinical tomographs is mandatory, particularly in new models or when hardware/software improvements are made. Therefore, the main aim of this thesis is to evaluate the performance of the easyPET.3D, an innovative highresolution PET system dedicated to mice imaging. Hence, a preliminary experimental study was carried out to optimize the sensitivity and spatial resolution by studying the operating parameters related to motor motion. Subsequently, the scanner's performance was evaluated following the National Electrical Manufacturers Association (NEMA) NU 4-2008 Standards. It provides a comprehensive set of procedures for evaluating small animal PET scanner’s performance, assessing key characteristics like spatial resolution, sensitivity, count rate, scatter fraction, and image quality. In addition, in vivo studies in an animal model (several strains of mice) were conducted with different radiotracers to demonstrate the performance of the PET tomograph in distinct applications. To achieve the best image detail and signal strength, the easyPET.3D’s fan motor, responsible for the fan rotation during acquisition, should operate at 20 steps per second, with a step angle ranging from 0.014° to 0.056°. The axial motor, which performs the axial rotation during acquisition, may operate between 0.9° and 9.0° (faster or slower acquisition), according to the study purpose. Furthermore, it was determined that an energy window of 200–750 keV maximizes the sensitivity (x 3) without significantly deteriorating the scatter fraction (+ 35%). In contrast, the acquisition protocol made it difficult to conclude about the positron range effect. Regarding the evaluation of the performance of easyPET.3D by NEMA recommendations, the spatial resolution is 0.81 mm3 in the centre of the field-of-view, the absolute sensitivity peak corresponds to 0.23%, the noise equivalent count rate is 913 counts per second reached at 18 MBq, the uniformity result is 17.6%, the recovery coefficients are 0.21 for the smaller capillary (1 mm) and 0.85 for the larger capillary (5 mm), and spill-over ratios are 0.49 and 0.40 for water and air, respectively. Despite the low sensitivity, the linearity of easyPET.3D is suitable for activities typically used in PET studies of small animals (7–8 MBq), and its submillimetre spatial resolution is comparable to commercially available systems, whose cost is much higher (x 10). A global protocol was developed for animal preparation and care before, during and after a PET study with the gold standard radiotracer 2-Deoxy-2-[¹⁸F]fluoroglucose. Afterwards, healthy mice were administered with different tracers to assess their respective biodistribution patterns. The visualization of small structures, such as the striatum in the brain, the wall of the left ventricle, and the vertebrae, proved the high-resolution of easyPET.3D and its potential for application in animal models. Finally, longitudinal PET studies were carried out on groups of animals included in preclinical investigations in oncology and neurology. The equipment differentiated benign from malignant lesions and malignant from necrotic tissue for an early and precise therapeutic decision. Moreover, structural brain lesions induced by an acute and low dose of cocaine were correlated with changes in brain metabolism signalled by the system. In conclusion, the results obtained in this thesis demonstrate that, in terms of performance, the easyPET.3D is comparable to established commercial systems, revealing potential for application in preclinical research. However, additional evaluation studies must be performed to validate the preliminary results obtained and increase the application prospects of this high-resolution, compact, and cost-effective PET system.

Programa Doutoral em Engenharia Física