Small animal PET imaging using GATE Monte Carlo simulations : Implementation of physiological and metabolic information

Tese de doutoramento, (Engenharia Biomédica e Biofísica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2010O rato/ratinho de laboratório é o modelo animal de escolha para o estudo dos processos fundamentais associados a determinadas patologias, como o cancro. Esta escolha deve-se a uma gama de factores que incluem uma grande homologia genética com o Homem. Assim sendo o rato/ratinho é amplamente utilizado em laboratórios por todo o Mundo para estudo dos processos celulares básicos associados á doença e à terapia. A comunidade laboratorial tem, nos últimos anos, desenvolvido um grande interesse pela imagiologia não-invasiva destes animais. De entre as diversas tecnologias de imagem aplicadas aos estudosin vivo de pequenos animais, a Tomografia por Emissão de Positrões (PET) permite obter informação sobre a distribuição espacial e temporal de moléculas marcadas com átomo emissor de positrões, de forma não invasiva. Os traçadores utilizados para obter esta “imagem molecular” são administrados em baixas quantidades, de tal forma que os processos biológicos que envolvem concentrações da ordem do nano molar, ou mesmo inferiores, podem ser determinadas sem perturbar o processo em estudo. Muitas combinações de diferentes moléculas com diferentes radionúclidos permitem traçar uma gama de caminhos moleculares específicos (e.g. processos biológicos de receptores e síntese de transmissores em caminhos de comunicação em células, processos metabólicos e expressão genética). A imagem pode ser executada repetidamente antes e depois de intervenções permitindo o uso de cada animal como o seu próprio controlo biológico. A investigação já realizada em curso que aplicam a PET ao estudos de pequenos animais, tem permitido compreender, entre outras coisas, a evolução de determinadas doenças e suas potenciais terapias. Contudo, existem algumas dificuldades de implementação desta técnica já que a informação obtida está condicionada pelos fenómenos físicos associados à interacção da radiação com a matéria, pelos instrumentos envolvidos na obtenção da informação e pela própria fisiologia do animal (por exemplo o seu movimento fisiológico). De facto, a fiabilidade da quantificação das imagens obtidas experimentalmente, em sistemas PET dedicados aos pequenos animais, é afectada ao mesmo tempo pelos limites de desempenho dos detectores (resolução espacial e em energia, sensibilidade, etc.), os efeitos físicos como a atenuação e a dispersão, que perturbam a reconstrução da imagem, e os efeitos fisiológicos (movimentos do animal). Na prática estes efeitos são corrigidos com métodos de correcção específicos com a finalidade de extrair parâmetros quantitativos fiáveis. Por outro lado, as características fisiológicas dos animais a estudar e a necessidade da existência de animais disponíveis, são factores adicionais de complexidade. Recentemente, tem sido dedicada alguma atenção aos efeitos resultantes dos movimentos fisiológicos, nomeadamente do movimento respiratório, na qualidade das imagens obtidas no decurso de um exame PET. Em particular, no caso do estudo dos tumores do pulmão (algo infelizmente muito frequente em humanos), o movimento fisiológico dos pulmões é uma fonte de degradação das imagens PET, podendo comprometer a sua resolução e o contraste entre regiões sãs e doentes deste orgão. A precisão quantitativa na determinação da concentração de actividade e dos volumes funcionais fica assim debilitada, sendo por vezes impedida a localização, detecção e quantificação do radiotraçador captado nas lesões pulmonares. De modo a conseguir diminuir estes efeitos, existe a necessidade de melhor compreender a influência deste movimento nos resultados PET. Neste contexto, as simulações Monte Carlo são um instrumento útil e eficaz de ajuda à optimização dos componentes dos detectores existentes, à concepção de novos detectores, ao desenvolviBaseados em modelos matemáticos dos processos físicos, químicos e, sempre que possível, biológicos, os métodos de simulação Monte Carlo são, desde há muito, uma ferramenta privilegiada para a obtenção de informação fiável da previsão do comportamento de sistemas complexos e por maioria de razão, para uma sua melhor compreensão. No contexto da Imagiologia Molecular, a plataforma de simulação Geant4 Application for Tomographic Emission (GATE), validada para as técnicas de imagem de Medicina Nuclear, permite a simulação por Monte Carlo dos processos de obtenção de imagem. Esta simulação pode mesmo ser feita quando se pretende estudar a distribuição de emissores de positrões cuja localização varia ao longo do tempo. Adicionalmente, estas plataformas permitem a utilização de modelos computacionais para modelar a anatomia e a fisiologia dos organismos em estudo mediante a utilização de uma sua representação digital realista denominada de fantôma. A grande vantagem na utilização destes fantômas relaciona-se com o facto de conhecermos as suas características geométricas (“anatómicas”) e de podermos controlar as suas características funcionais (“fisiológicas”). Podemos assim obter padrões a partir dos quais podemos avaliar e aumentar a qualidade dos equipamentos e técnicas de imagem. O objectivo do presente trabalho consiste na modelação e validação de uma plataforma de simulação do sistema microPET® FOCUS 220, usado em estudos de PET para pequenos animais, utilizando a plataforma de simulação GATE. A metodologia adoptada procurou reproduzir de uma forma realista, o ambiente de radiação e factores instrumentais relacionados com o sistema de imagem, assim como o formato digital dos dados produzidos pelo equipamento. Foram usados modelos computacionais, obtidos por segmentação de imagem de exames reais, para a avaliação da quantificação das imagens obtidas. Os resultados obtidos indicam que a plataforma produz resultados reprodutíveis, adequados para a sua utilização de estudos de pequenos animais em PET. Este objectivo foi concretizado estudando os efeitos combinados do tamanho das lesões, do rácio de concentração de actividade lesão-para-fundo e do movimento respiratório na recuperação de sinal de lesões esféricas localizadas no pulmão em imagens PET de pequenos animais. Para este efeito, foi implementada no código GATE uma representação digital em 4D de um ratinho de corpo inteiro (o fantôma MOBY). O MOBY permitiu reproduzir uma condição fisiológica que representa a respiração em condição de "stress", durante um exame típico de PET pequeno animal, e a inclusão de uma lesão esférica no pulmão tendo em conta o movimento da mesma. Foram realizadas um conjunto de simulações estáticas e dinâmicas usando 2-Deoxy-[18F]fluoro-D-glucose (FDG) tendo em consideração diferentes tamanhos das lesões e diferentes captações deste radiofármaco. O ruído da imagem e a resolução temporal foram determinadas usando imagens 3D e 4D. O rácio sínal-para-ruído (SNR), o rácio contraste-para-ruído (CNR), a relação lesão-fundo (target-to-background activity concentration ratio- TBR), a recuperação de contraste (CR) e a recuperação de volume (VR) foram também avaliados em função do tamanho da lesão e da actividade captada. Globalmente, os resultados obtidos demonstram que a perda de sinal depende tanto do tamanho da lesão como da captação de actividade na lesão. Nas simulações estáticas, onde não foi simulado movimento, os coeficientes de recuperação foram influenciados pelo efeito de volume parcial para os tamanhos mais reduzidos de lesão. Além disso, o aumento do contraste na lesão produz um aumento significativo no desvio padrão da média de sinal recuperado resultando numa diminuição no CNR e no SNR. Também concluímos que o movimento respiratório diminui significativamente a recuperação do sinal e que esta perda depende principalmente do tamanho da lesão. A melhor resolução temporal e resolução espacial foram obtidas nas simulações estáticas, onde não existia movimento envolvido. Os resultados simulados mostram que o efeito de volume parcial é dominante nas lesões mais pequenas devido à resolução espacial do sistema FOCUS, tanto nas imagens estáticas como nas dinâmicas. Além disso, para concentrações baixas de radiofármaco existe uma dificuldade inerente em quantificar a recuperação de sinal nas lesões comprometendo a análise quantitativa dos dados obtidos.Organ motion has become of great concern in medical imaging only recently. Respiratory motion is one source of degradation of PET images. Respiratory motion may lead to image blurring, which may result in reduced contrast and quantitative accuracy in terms of recovered activity concentration and functional volumes. Consequently, the motion of lungs hinders the localization, detection, and the quantification of tracer uptake in lung lesions. There is, therefore, a need to better understand the effects of this motion on PET data outcome. Medical imaging methods and devices are commonly evaluated through computer simulation. Computer generated phantoms are used to model patient anatomy and physiology, as well as the imaging process itself. A major advantage of using computer generated phantoms in simulation studies is that the anatomy and physiological functions of the phantom are known, thus providing a gold standard from which to evaluate and improve medical imaging devices and techniques. In this thesis, are presented the results of a research studied the combined effects of lesion size, lesion-to-background activity concentration ratio and respiratory motion on signal recovery of spherical lesions in small animal PET images using Monte Carlo simulation. Moreover, background activity is unavoidable and it causes significant noise and contrast loss in PET images. For these purposes, has been used the Geant4 Application for Tomographic Emission (GATE) Monte Carlo platform to model the microPET®FOCUS 220 system. Additionaly, was implemented the digital 4D Mouse Whole-Body (MOBY) phantom into GATE. A physiological “stress breathing” condition was created for MOBY in order to reproduce the respiratory mouse motion during a typical PET examination. A spherical lung lesion was implemented within this phantom and its motion also modelled. Over a complete respiratory cycle of 0.37 s was retrieved a set of 10 temporal frames (including the lesion movement) generated in addition to a non-gated data set. Sets of static (non-gated data) and dynamic (gated data) 2-Deoxy-[18F]fluoro-D-glucose (FDG) simulations were performed considering different lesion sizes and different activity uptakes. Image noise and temporal resolution were determined on 3D and 4D images. Signal-to-Noise Ratio (SNR), Contrast-to-Noise Ratio (CNR), Target-to-Background activity concentration Ratio (TBR), Contrast Recovery (CR) and Volume Recovery (VR) were also evaluated as a function of lesion size and activity uptake. Globally, the results obtained show that signal loss depends both on lesion size and lesion activity uptake. In the non-gated data, where was no motion included (perfect motion correction), the recovery coefficients were influenced by the partial volume effect for the smallest lesion size. Moreover, the increased lesion contrast produces a significant increase on the standard deviation of the mean signal recover. This led to a decrease in CNR and SNR. In addition, respiratory motion significantly deteriorates signal recovery and this loss depends mainly of the lesion size. Best temporal resolution (volume recovery) and spatial resolution was given by the non-gated data, where no motion is involved. The simulated results show that the partial volume effect is dominant for small objects due to limited FOCUS system resolution in both 3D and 4D PET images. In addition, lower activity concentrations significantly deteriorates the lesion signal recovery compromising quantitative analysis.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) under grant nº SFRH/BD/22723/200

Simulation of Clinical PET Studies for the Assessment of Quantification Methods

On this PhD thesis we developed a methodology for evaluating the robustness of SUV measurements based on MC simulations and the generation of novel databases of simulated studies based on digital anthropomorphic phantoms. This methodology has been applied to different problems related to quantification that were not previously addressed. Two methods for estimating the extravasated dose were proposed andvalidated in different scenarios using MC simulations. We studied the impact of noise and low counting in the accuracy and repeatability of three commonly used SUV metrics (SUVmax, SUVmean and SUV50). The same model was used to study the effect of physiological muscular uptake variations on the quantification of FDG-PET studies. Finally, our MC models were applied to simulate 18F-fluorocholine (FCH) studies. The aim was to study the effect of spill-in counts from neighbouring regions on the quantification of small regions close to high activity extended sources

Applications of Monte Carlo Methods in Biology, Medicine and Other Fields of Science

This volume is an eclectic mix of applications of Monte Carlo methods in many fields of research should not be surprising, because of the ubiquitous use of these methods in many fields of human endeavor. In an attempt to focus attention on a manageable set of applications, the main thrust of this book is to emphasize applications of Monte Carlo simulation methods in biology and medicine

Dynamic Analysis of X-ray Angiography for Image-Guided Coronary Interventions

Percutaneous coronary intervention (PCI) is a minimally-invasive procedure for treating patients with coronary artery disease. PCI is typically performed with image guidance using X-ray angiograms (XA) in which coronary arter

Personalised body counter calibration using anthropometric parameters

This book describes the development of a new method for personalisation of efficiency factors in partial body counting. Its achieved goal is the quantification of uncertainties in those factors due to variation in anatomy of the measured persons, and their reduction by correlation with anthropometric parameters. The method was applied to a detector system at the In Vivo Measurement Laboratory at Karlsruhe Institute of Technology using Monte Carlo simulation and computational phantoms

4D offline PET-based treatment verification in ion beam therapy

Due to the accessible sharp dose gradients, external beam radiotherapy with protons and heavier ions enables a highly conformal adaptation of the delivered dose to arbitrarily shaped tumour volumes. However, this high conformity is accompanied by an increased sensitivity to potential uncertainties, e.g., due to changes in the patient anatomy. Additional challenges are imposed by respiratory motion which does not only lead to rapid changes of the patient anatomy, but, in the cased of actively scanned ions beams, also to the formation of dose inhomogeneities. Therefore, it is highly desirable to verify the actual application of the treatment and to detect possible deviations with respect to the planned irradiation. At present, the only clinically implemented approach for a close-in-time verification of single treatment fractions is based on detecting the distribution of β+-emitter formed in nuclear fragmentation reactions during the irradiation by means of positron emission tomography (PET). For this purpose, a commercial PET/CT (computed tomography) scanner has been installed directly next to the treatment rooms at the Heidelberg Ion-Beam Therapy Center (HIT). Up to present, the application of this treatment verification technique is, however, still limited to static target volumes. This thesis aimed at investigating the feasibility and performance of PET-based treatment verification under consideration of organ motion. In experimental irradiation studies with moving phantoms, not only the practicability of PET-based treatment monitoring for moving targets, using a commercial PET/CT device, could be shown for the first time, but also the potential of this technique to detect motion-related deviations from the planned treatment with sub-millimetre accuracy. The first application to four exemplary hepato-cellular carcinoma patient cases under substantially more challenging clinical conditions indicated potential for improvement by taking organ motion into consideration, particularly for patients exhibiting motion amplitudes of above 1cm and a sufficiently large number of detected true coincidences during their post-irradiation PET scan. Despite the application of an optimised PET image reconstruction scheme, as retrieved from a dedicated phantom imaging study in the scope of this work, the small number of counts and the resulting high level of image noise were identified as a major limiting factor for the detection of motion-induced dose inhomogeneities within the patient. Moreover, the biological washout modelling of the irradiation-induced isotopes proved to be not sufficiently accurate and thereby impede a quantitative analysis of measured and simulated data under consideration of target motion. In future, improvements are particularly foreseen through dedicated noise-robust time-resolved (4D) image reconstruction algorithms, an improved tracking of the organ motion, e.g., by ultrasound (US) imaging, as implemented for the first time in 4D PET imaging in the scope of this work, as well as by patient-specific washout models