Development and evaluation of a small animal PET protype compatible with strong magnetic fields

Abstract

For over a decade the Nuclear Imaging scientific society has shown great interest on the implementation of the synergistic PET/MR scanner. Compared to the PET/CT scanner it provides several new features, like the real time motion compensation.The goal of this thesis is the study, implementation and evaluation of several of the technological challenges which have to be achieved in order to update a non magnetic compatible small animal PET to a scanner compatible with strong magnetic fields. These challenges include both hardware and software modifications. Our case study was a non magnetic compatible dual head planar PET scanner, which we later upgraded to tomographic, by mounting the heads on a rotating gantry.Considering the detectors, the standart Position Sensitive Photomultipliers (PS-PMTs), were replaced with the magnetic tolerant Silicon Photomultipliers (SiPMs). In addition, we designed and implemented the new front-end amplifiers, which amplified and modulated properly the pulses. We studied SiPMs manufactured by SensL, in terms of energy resolution, spectral compatibility with a variate of commonly used scintillator crystals, sensitivity, response linearity and other figure of merits.We found that for PET imaging SiPMs with smaller number of SPAD elements lead to better signal properties in terms of Signal to Noise ration, energy resolution, signal amplitude and others. In PET imaging there is the only need to detect 511 keV photos, therefore linear response over a wide rang of energies was not considered significant, and can be well compensated by proper adjustment of the operating voltage.The ability of a PET system to provide images with high diagnostic value, using small injected doses and/or radioactivity is a crucial factor expressed by the sensitivity and the minimum detectable activity (MDA). Extensive simulations using Monte Carlo techniques with and without the presence of magnetic field demonstrated that the driving factor is the presence of 176Lu in the LSO:Ce crystals. The isotope 176Lu is naturally radioactive and contributes a constant background, increasing the MDA.Based on the aforementioned simulations we proposed a new acquisition protocol which further improves the SNR and the sensitivity of small animal PET systems; by increasing the H/Y threshold and reducing the lower boundary of the energy window. This way, the pulses from the intrinsic radioactivity are greatly suppressed, while more gamma-photons are detected. The protocol was validated over a non-magnetic compatible PET scanner.However, if the malignant region is near the surface of a tissue which is in direct contact with air, the MDA is improved by the presence of a magnetic field which effectively reduces the positron range.Finally, in order to produce quantitative and accurate images proper image reconstruction had to implemented. Since, the proposed geometry assembled from two rotating planar heads, image reconstruction implemented for cylindrical scanners didn't provide accurate results. Using the aforementioned Monte Carlo simulations we extended the STIR image reconstruction toolkit to handle data from rotating scanners. The algorithms were validated with acquired data from the non-magnetic compatible PET scanner. The results showed great improvement in terms of spatial resolution, sensitivity and homogeneity in the FOV over the conventional algorithms.

Τα τελευταία χρόνια η επιστημονική κοινότητα της Πυρηνικής απεικόνισης έχει δείξει μεγάλο ενδιαφέρον για την υλοποίηση συνεργατικών συστημάτων PET/MR. Σε σχέση με τα συστήματα PET/CT παρουσιάζουν ορισμένες πολύ ενδιαφέρουσες προοπτικές, με σημαντικότερη ίσως αυτή της πραγματικής ταυτόχρονης ανατομικής και λειτουργικής απεικόνισης.Με την καινούργια αυτή λειτουργία θα είναι δυνατή η ακριβέστερη διόρθωση εξασθένησης και η ταυτόχρονη διόρθωση κίνησης, που θα βοηθήσει σημαντικά στην βελτίωση της πραγματικής διακριτικής ικανότητας των PET συστημάτων.Σκοπός της διδακτορικής αυτής διατριβής είναι η μελέτη των επιμέρους τεχνολογικών μετατροπών που πρέπει να πραγματοποιηθούν σε ένα συμβατικό PET σύστημα, δύο επίπεδων κεφαλών, απεικόνισης μικρών ζώων ώστε αυτό να γίνει μαγνητικά συμβατό.Οι μετατροπές εντοπίζονται, αρχικά, στην αντικατάσταση των κλασσικών φωτοπολλαπλασιαστών ανίχνευσης θέσης (PS-PMT) με μαγνητικά συμβατούς φωτοποπλασιαστές πυριτίου (Si-PMT). Η μετατροπή αυτή συνοδεύεται και από την σχεδίαση κατάλληλων ηλεκτρονικών διατάξεων για την ενίσχυση και διαμόρφωση του σήματος.Για την μελέτη που πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιήσαμε τους SiPM της εταιρίας SensL. Οι ανιχνευτές δοκιμάστηκαν με μια πληθώρα σπινθηριστών και ραδιοϊσοτόπων που χρησιμοποιούνται σε διάφορους κλάδους της Πυρηνική Ιατρική (Π.Ι.). Η αξιολόγηση περιελάμβανε την σύγκριση της ενεργειακής διακριτικής ικανότητα, φασματικής συμβατότητας, το λόγο σήματος προς θόρυβο, το εύρος θορύβου κ.α.Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι προτιμώμενοι είναι οι ανιχνευτές με μικρότερο αριθμό στοιχείων (SPAD) καθώς προσφέρουν παλμούς με μεγαλύτερος πλάτος, καλύτερη ενεργειακή διακριτική ικανότητα και η διαφορά στο επίπεδο του θορύβου δεν είναι σημαντική. Η περιορισμένη γραμμική περιοχή τους μπορεί να ρυθμιστεί εύκολα με την εφαρμογή κατάλληλης ανάστροφης τάσης. Η δυνατότητα ενός συστήματος Πυρηνικής Ιατρικής να παράξει εικόνες υψηλής διαγνωστικής αξίας, με την χρήση των μικρότερων δυνατών ραδιενεργών δόσεων είναι εξαιρετικά σημαντική και σημαντικές προσπάθειες καταβάλλονται προς αυτή την κατεύθυνση.Για αυτό το λόγο πραγματοποιήθηκε μια συστηματική μελέτη μέσω προσομοιώσεων Monte Carlo για την βελτιστοποίηση της απόδοσή του συστήματος σε χαμηλές και πολύ χαμηλές ενεργότητες με και χωρίς την χρήση ισχυρών μαγνητικών πεδίων.Βρέθηκε ότι κύριος περιοριστικός παράγοντας, στην υπό μελέτη υλοποίηση, είναι η χρήση των σπινθηριστών LSO:Ce, που λόγω της ύπαρξης του ασταθούς 176Lu πραγματοποιείτε το φαινόμενο του αυτοφθορισμού το οποίο συμβάλει στην ύπαρξη ενός σταθερού σήματος υποβάθρου.Προτείναμε για την βελτιστοποίηση του λόγου σήματος προς θόρυβο ο χρήστης να αυξήσει το κατώτατο κατώφλι παλμών στους ηλεκτρονικούς ενισχυτές και να διευρύνει το ενεργειακό παράθυρο στο λογισμικό επεξεργασίας του σήματος καθώς η συνεισφορά σκεδαζομένων φωτονίων είναι μικρή στα συστήματα απεικόνισης ζώων.Η ύπαρξη μαγνητικού πεδίου, συνεισφέρει θετικά μόνο στις περιπτώσεις των επιδερμικών καρκινωμάτων και γενικότερα όταν υπάρχει ένα καρκίνωμα στην επιφάνεια κάποιου ιστού που είναι σε άμεση επαφή με αέρα. Λόγω του ότι η απόσταση εξαΰλωσης του ποζιτρονίου σε ιστούς είναι 0.5mm και στο αέρα μπορεί να φτάσει και το 1cm. Το μαγνητικό πεδίο μπορεί μειώσει σημαντικά αυτή την απόσταση με αποτέλεσμα την μειωθεί η διαφυγή ποζιτρονίων σε περιοχές μακριά από το σημείο εκπομπής τους.Τελευταίο κομμάτι της διατριβής επικεντρώνεται στην ανάπτυξη, βελτιστοποίηση και αξιολόγηση του αλγορίθμου ανακατασκευής εικόνας. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε τη βιβλιοθήκη ιατρικής ανακατασκευής εικόνας STIR. Επειδή η υλοποίηση που προτείναμε βασίζεται σε δύο περιστρεφόμενες επίπεδες κεφαλές, ήταν αναγκαίο να υλοποιηθεί αλγόριθμος ανακατασκευής εικόνας για συστήματα με περιορισμένη αζιμουθιακή δειγματοληψία. Καθώς και κατάλληλες μέθοδοι κανονικοποίησης των δεδομένων.Για την υλοποίηση και βελτιστοποίηση της ανακατασκευής χρησιμοποιήσαμε τα μοντέλα Monte Carlo, που είχαμε πιστοποιήσει στα προηγούμενα βήματα και η αξιολόγηση βασίστηκε και σε ένα πραγματικό σύστημα PET, παρόμοιας γεωμετρίας, μη μαγνητικά συμβατού.Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι υπάρχει σημαντική βελτίωση στην διακριτική ικανότητα του συστήματος, στην ομοιομορφία του πεδίου και στη μείωση του θορύβου.