Βελτιστοποίηση της λειτουργίας συστημάτων τομογραφίας εκπομπής ποζιτρονίων (PET)

Abstract

In the present dissertation, PET/CT (hybrid Positron Emission Tomography and Computed Tomography) systems were modeled using appropriate software. These models are then used to optimize their operation. The optimization of the operation was not only focused on the determination of the technical parameters of the detector and the geometry of the PET system, but also extended to the clinical context, this being the ultimate goal of the thesis. These optimizations are aimed at improving the quantitative results of the functional imaging of radiopharmaceutical uptaking tumors or assuring their repeatability. The anatomy chosen is the thorax and the type of lesion is the Solitary Pulmonary Nodule (SPN). The selection was based on various features and properties such as its small size, as well as the fact that its relative position in the thorax may be related to its prognosis. This practically means that the PET camera is required to operate in such a way, so that the quantitative or semi-quantitative results it produces are reproducible. The first part of the thesis focuses on building the simulation model and listing the corresponding results with emphasis on possible optimization schemes. Our results show that properly tuned Monte Carlo simulations predict accurately the count rates of the detectors, representing all the respective phenomena starting from the initial gamma emission to the allocation of the counts on the respective Lines of Response (LOR) in the sinogrammed raw data. A maximum deviation of 2% when comparing simulations and experiments validates the model accuracy for further use in the clinical context. On this basis, in the second part of the dissertation we use experimentally validated simulations, and the performance of the measurements of four different scanner models of a model of true clinical patient data with detected SPN is represented using the parameter of NECR (Noise Equivalent Count Rate). The response of this parameter is investigated with regards to its activity, its relative location in the thorax and the degree of obesity of patients. Significant fluctuation of the quantitative results is observed when the same patient is scanned in different detector configurations of scanner models, or even in the case of the same detectors where however the scans are taken at different time points and the patient characteristics (weight) have changed in-between. Non-optimal patient positioning eccentric to the isocenter is observed frequently and can potentially contribute further to result variability. Our results provide evidence of the ability for properly tuned simulations to be incorporated into daily clinical practice and provide additional information on the variability of response of PET camera measurements, especially in types of lesions where often borderline decisions are made regarding their characterization. Future work is the exploration of the possibility to use the method prescribed here in an extended clinical trial (e.g. on a country level).

Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής πραγματοποιήθηκε μοντελοποίηση κλινικών συστημάτων PET/CT (υβριδικά συστήματα Τομογραφίας Εκπομπής Ποζιτρονίων και Αξονικής Τομογραφίας) με την χρήση κατάλληλου λογισμικού, με σκοπό την χρησιμοποίηση των μοντέλων για την βελτιστοποίηση της λειτουργίας τους. Η βελτιστοποίηση αυτή δεν επικεντρώθηκε μόνο στον καθορισμό των τεχνικών παραμέτρων λήψης του ανιχνευτή και της γεωμετρίας του συστήματος PET, αλλά επεκτάθηκε και σε κλινικό επίπεδο. Αυτός μάλιστα είναι και ο απώτερος σκοπός της διατριβής. Ο καθορισμός δηλαδή των βελτιστοποιήσεων αυτών οι οποίες στοχεύουν στην αντίστοιχη ακρίβεια ή την επαναληψιμότητα των ποσοτικών αποτελεσμάτων της λειτουργικής απεικόνισης όγκων που προσλαμβάνουν ραδιοφάρμακο. Η ανατομία η οποία επιλέχθηκε είναι ο θώρακας και ο τύπος αλλόιωσης είναι ο Μονήρης Πνευμονικός Όζος (ΜΠΟ). Η επιλογή βασίστηκε σε διάφορα χαρακτηριστικά και ιδιότητες όπως η μικρή του διάσταση, καθώς και το γεγονός ότι η σχετική θέση του στον θώρακα μπορεί να σχετίζεται με την πρόγνωση του. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι η κάμερα PET απαιτείται να λειτουργεί με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε τα ποσοτικά ή τα ημι-ποσοτικά αποτελέσματα που παράγει να είναι επαναλήψιμα. Το πρώτο κομμάτι στο ειδικό μέρος της διατριβής επικεντρώνεται στην δημιουργία του μοντέλου της προσομοίωσης και στην παράθεση των αντίστοιχων αποτελεσμάτων με έμφαση στα πιθανά σχήματα βελτιστοποίησης. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι προσομοιώσεις Monte Carlo μπορούν να προβλέψουν με ακρίβεια τους ρυθμούς μέτρησης των ανιχνευτών ΡΕΤ, ξεκινώντας από την εκπομπή γ έως την τελική καταμέτρηση και αποθήκευση των συμπτώσεων ανά LOR στα πρωτογενή δεδομένα του ημιτονογράμματος. Με μέγιστη σχετική απόκλιση κάτω από 2% επιβεβαιώνεται η ακρίβεια του μοντέλου ώστε να χρησιμοποιηθεί για τις περαιτέρω κλινικές αναλύσεις. Σε αυτή την βάση, στο δεύτερο μέρος της διατριβής χρησιμοποιήθηκαν νέες πειραματικά επικυρωμένες προσομοιώσεις. Η απόδοση των μετρήσεων τεσσάρων διαφορετικών μοντέλων σαρωτή με την χρήση πραγματικών κλινικών δεδομένων εικόνας με εύρημα ΜΠΟ αναπαρίστανται με τη χρήση της παραμέτρου NECR (Noise Equivalent Count Rate). Μελετάται η απόκριση της παραμέτρου αυτής συναρτήσει της μεταβολής της ενεργότητας του όγκου, της σχετικής ακτινικής θέσης του στον θώρακα καθώς και του βαθμού παχυσαρκίας των ασθενών. Παρατηρείται σημαντική διακύμανση των ποσοτικών αποτελεσμάτων μέτρησης της κάμερας ΡΕΤ όταν ο ίδιος ασθενής σαρώνεται σε διαφορετικές διαμορφώσεις ανιχνευτών διαφορετικών μοντέλων κλινικών συστημάτων ή ακόμα και στην περίπτωση των ίδιων σαρωτών πού όμως οι λήψεις πραγματοποιούνται μεταξύ διαφορετικών χρονικών σημείων αν το σωματικό βάρος του ασθενή μεταβληθεί σημαντικά. Μη βέλτιστη τοποθέτηση του ασθενούς εκτός του ισοκέντρου απεικόνισης απαντάται συχνά στους περισσότερους τρόπους απεικόνισης και μπορεί εν δυνάμει να προσθέσει περαιτέρω μεταβλητότητα και αβεβαιότητα στα αποτελέσματα. Στο πλαίσιο του ποσοτικού ΡΕΤ, η διόρθωση αυτών των επιπτώσεων μέσω μιας εν δυνάμει προοπτικής κανονικοποίησης χρησιμοποιώντας κατάλληλες προσομοιώσεις θα μπορούσε να αποδειχθεί επωφελής στην καθημερινή κλινική πράξη.Τα αποτελέσματα της διατριβής αυτής παρέχουν την απόδειξη της προσέγγισης για την δυνατότητα κατάλληλων προσομοιώσεων που μπορούν να εισαχθούν στην καθημερινή κλινική πράξη και να παρέχουν πρόσθετη πληροφορία σχετικά με τη μεταβλητότητα απόκρισης της μέτρησης των καμερών PET, ειδικά σε τύπους αλλοιώσεων όπου συχνά λαμβάνονται οριακές αποφάσεις από τον διαγνώστη σχετικά με τον χαρακτηρισμό τους. Ως μελλοντική εργασία προτείνεται η χρησιμοποίηση της περιγραφόμενης μεθόδου στα πλαίσια εκτεταμένης κλινικής μελέτης (π.χ στο επίπεδο χώρας).