Investigation of Personalised Post-Reconstruction Positron Range Correction in 68Ga Positron Emission Tomography Imaging

Positron range limits the spatial resolution of Positron Emission Tomography, reducing image quality and accuracy. This thesis investigated factors affecting the magnitude of positron range, developed a personalised approach to range correction, and demonstrated the approach using simulated, phantom and patient data. The Geant4 Application for Emission Tomography software was utilised to model positron range when emitted by radionuclides, namely 18F and 68Ga, in water, bone and lung. The impact of range blurring in lungs was found to be ten times larger than in bone and four times larger than in water or soft tissue, regardless of the positron energy. Range effects occurring with different isotopes (18F and 68Ga) were evaluated across measurement and reconstructed spatial resolutions. It was found that range correction was not necessary when using 18F for voxel sizes larger than 4 mm. In contrast, range correction was required for images generated using 68Ga, particularly within or adjacent to the lung. An iterative, post-reconstruction range correction method was developed which relied only on the measured data. The correction method was validated in both simulation and phantom studies. Image quality and quantification accuracy of corrected images was shown to be superior when imaging with 68Ga. Importantly, the range correction suppressed and controlled image noise at high iteration numbers. Finally, in a patient study, image noise in regions of uniform uptake was significantly increased by ~2% (p<0.05), yet mean standardised uptake values remained unchanged after correction, showing the same uptake for normal radionuclide distributions. The lesion contrast and maximum uptake values were improved by 20% and 45%, respectively with statistical significance (p<0.05). Although these promising results show that the proposed method of range correction can be generalised to reconstructed images regardless of measurement system, acquisition parameters and radionuclides used, further research is warranted to improve the method, particularly with respect to removing or reducing the artefacts which were shown to impacted reader preference

Extraction de la courbe d'entrée à partir des images TEP du coeur chez le petit animal pour la modélisation pharmacocinétique

Dans cette thèse, nous présentons l'ensemble de nos contributions relatives à la mise en oeuvre et à la validation de techniques d'extraction d'une courbe de l'activité d'un traceur radioactif, dite courbe d'entrée (CE), à partir des images enregistrées par tomographie d'émission par positrons (TEP). Cette courbe est primordiale pour la quantification de paramètres physiologiques et métaboliques comme le métabolisme du glucose au niveau du myocarde chez le petit animal. La modalité d'imagerie TEP sert à déceler, à des phases souvent précoces, le dysfonctionnement d'un organe par un examen médical. L'examen consiste en une injection d'un élément radioactif, émetteur de positrons attachés à une molécule caractérisée par les mêmes propriétés chimiques et biologiques qu'une molécule naturelle, et de suivre son activité temporelle. La quantité du traceur mesurée dans le plasma sanguin en fonction du temps constitue la CE, tandis que la radioactivité mesurée dans les tissus par la TEP constitue la réponse des tissus. La CE et la réponse des tissus sont les fonctions fondamentales d'un modèle mathématique appelé "le modèle pharmacocinétique" qui estime les paramètres physiologiques et métaboliques. Habituellement la CE est obtenue d'une manière invasive par un prélèvement sanguin qui se fait parallèlement à l'acquisition des données. En plus, elle nécessite une chaîne de préparation pour enregistrer la concentration du traceur radioactif dans le plasma et une fréquence d'échantillonnage corrélée avec le découpage de la séquence d'images. Dans le cadre de nos recherches, nous avons développé des techniques d'extraction de la CE directement à partir d'une séquence d'images TEP. Cette approche présente l'avantage d'être non-invasive et permet un contrôle sur la fréquence d'échantillonnage temporel. Néanmoins, la résolution spatiale, les limites physiques, les limites physiologiques et les limites méthodologiques reliées à la reconstruction d'images sont des facteurs qui détériorent la qualité de la courbe. Dans un premier temps, nous avons appliqué un concept probabiliste à l'intérieur de deux régions d'intérêts (Ris) tracées sur la séquence d'images délimitant le ventricule gauche et le myocarde. La méthode estime la fraction du sang dans les deux régions pour déterminer une CE non dégradée par les effets mentionnés précédemment. Cette approche a permis de corriger la courbe en tenant compte des effets causés par la contamination spatiale. Dans un deuxième temps, nous avons travaillé sur la réduction de l'effet du mouvement du coeur et des poumons sur la qualité de la CE. Pour cela, nous avons utilisé une acquisition de données synchronisée par rapport à l'électrocardiogramme (ECG). Cette acquisition nécessite un suivi automatique des RIs sur les différents cadres synchronisés. Pour remédier aux effets de la faible résolution spatiale des images, nous avons développé un modèle particulier d'un contour déformable qui répond aux faiblesses des images TEP. Notre modèle est capable de délimiter le ventricule gauche et le myocarde sur les images d'une façon quasi-automatique. Finalement, nous avons généralisé l'idée de l'extraction de la CE pour différents traceurs tels que le glucose marqué au fluor ([indice supérieur 18]F-FDG), l'ammoniaque marqué à l'azote ([indice supérieur 13]N-ammoniaque), le [indice supérieur 82] rubidium ([indice supérieur 82]Rb) et l'acétate marqué au carbone ([indice supérieur 11]C-acétate). Le modèle que nous avons développé est basé sur l'estimation de la CE par l'analyse en composante indépendante (ACI) et la distribution gaussienne généralisée (DGG). Tous nos résultats pour le traceur [indice supérieur 18]F-FDG sont comparés à la méthode de référence classique, à savoir le prélèvement sanguin. Les résultats de l'extraction de la CE par l'ACI ont été comparés à ceux extraits par la méthode de référence et par la moyenne de l'activité d'une RI segmentée manuellement sur les images. Les résultats montrent l'apport de la méthode sur l'amélioration de la courbe lorsque celle-ci est dégradée par la contamination croisée. Le travail accompli dans cette thèse montre la possibilité de contourner les limites de l'imagerie TEP par l'utilisation d'approches statistiques dans le but d'extraire une CE fiable. Les méthodes développées représentent une alternative à la méthode invasive d'échantillonnage sanguin