EANM procedural guidelines for myocardial perfusion scintigraphy using cardiac-centered gamma cameras

Abstract An increasing number of Nuclear Medicine sites in Europe are using cardiac-centered gamma cameras for myocardial perfusion scintigraphy (MPS). Three cardiac-centered gamma cameras are currently the most frequently used in Europe: the D-SPECT (Spectrum Dynamics), the Alcyone (Discovery NM 530c and Discovery NM/CT 570c; General Electric Medical Systems), and the IQ-SPECT (Siemens Healthcare). The increased myocardial count sensitivity of these three cardiac-centered systems has allowed for a decrease in the activities of radiopharmaceuticals injected to patients for myocardial perfusion imaging and, consequently, radiation exposure of patients. When setting up protocols for MPS, the overall objective should be to maintain high diagnostic accuracy of MPS, while injecting the lowest activities reasonably achievable to reduce the level of radiation exposure of patient and staff. These guidelines aim at providing recommendations for acquisition protocols and image interpretation using cardiac-centered cameras. As each imaging system has specific design and features for image acquisition and analysis, these guidelines have been separated into three sections for each gamma camera system. These recommendations have been written by the members of the Cardiovascular Committee of EANM and were based on their own experience with each of these systems and on the existing literature

Convolutional neural networks for myocardial perfusion SPECT imaging classification: a full and low-dose study

Thesis to obtain the Master of Science Degree in Biomedical EngineeringAs doenças cardiovasculares são a principal causa de morbilidade e mortalidade a nível mundial. A doença arterial coronária, uma das formas mais prevalentes das doenças cardiovasculares, caracteriza-se pela deposição de placas de ateroma nas artérias coronárias, levando consequentemente a diminuições da passagem do sangue pelas artérias, fenómeno este denominado por isquémia. As isquémias podem ser reversíveis, quando existe uma diminuição da passagem do sangue temporária, causada por exercício físico ou testes de esforço farmacológico ou irreversíveis quando o estreitamento e oclusão do vaso não é revertido em situações de repouso, levando à necrose dos tecidos. Neste sentido, a cintigrafia de perfusão do miocárdio (CPM) por tomografia computorizada por emissão de fotão único (SPECT) é um exame não-invasivo muito utilizado e designado para detetar alterações de perfusão no músculo cardíaco. Na prática, a SPECT utiliza traçadores radioativos que depois de administrados no doente permitem uma visualização do mesmo pelo corpo ou órgão de interesse. Na CPM, após administrado o radiofármaco, este é fixado parcialmente no miocárdio proporcionalmente ao fluxo sanguíneo do músculo. Na prática, em áreas indicativas de baixa perfusão, pode ser indicativo de isquémia reversível ou irreversível (enfarte). Se a região lesada se apresentar menos perfundida num estudo em esforço que num estudo em repouso, estaremos perante uma isquémia reversível. Se a região não apresentar reversibilidade de perfusão no estudo em repouso, estamos perante de uma isquémia irreversível e, portanto, um enfarte. Neste sentido, na CPM, é a comparação entre o estudo em esforço e em repouso que indica a presença ou ausência de estenoses. A quantificação dos estudos de CPM-SPECT envolve tipicamente a extração de parâmetros quantitativos obtidos dos estudos de esforço e repouso. Para isso, são utilizados softwares comercialmente disponíveis como o QPSTM/QGSTM e 4D-MSPECT. No entanto, os sistemas de aquisição sofrem de algumas limitações como a distorção espacial, atenuação dispersa e baixas contagens, o que pode contribuir para elevados níveis de ruído nas imagens. Assim, este aspeto pode levar ao viés na quantificação e consequente classificação, para além de serem processos demorados e muito dependentes do utilizador, levando a variabilidades intra e inter-operador significantes. Além disso, a CPM-SPECT sendo um exame que comporta radiação ionizante para o doente, é o que mais contribui em Portugal para a dose coletiva da população desde 2010. Para ultrapassar tais limitações, novos equipamentos especializados em imagem cardíaca nuclear têm sido desenvolvidos como os de Cádmio-zinco-telureto (CZT), permitindo uma melhor qualidade de imagem e redução de dose. Outra abordagem foi implementar algoritmos iterativos na reconstrução de imagem, melhorando também a relação sinal-ruído das mesmas. No entanto, ambos os métodos estão associados a custos elevados, sendo difíceis de implementar em muitos serviços. Neste sentido, tanto as questões na variabilidade de classificação como as preocupações de redução da dose podem impactar a verdadeira avaliação de estudos CPM-SPECT. Recentemente, com a ascensão do big-data e novos algoritmos de aprendizagem profunda como as redes neuronais, estes começaram a ser utilizados também no contexto da imagiologia médica, particularmente também na CPM. Para contexto, muitas arquiteturas de redes neuronais têm sido utilizadas nas mais variadas tarefas da imagiologia, sendo as redes neuronais convolucionais a que mais se destacou. Uma razão para tal, é a facilidade da sua utilização através de transfer learning, ou seja, a utilização de redes neuronais convolucionais pré-treinadas numa base de dados de grandes dimensões, como por exemplo o ImageNet, em que se congela os pesos das camadas anteriores ou parte deles, de forma a usar o que a rede aprendeu inicialmente num outro problema de classificação. Em adendo, com o desenvolvimento de arquiteturas cada vez mais complexas, a interpretabilidade destes modelos tornou-se mais difícil. Para isso, vários métodos foram desenvolvidos como forma de melhor perceber a tomada de decisão dos algoritmos nas mais variadas tarefas, dentro dos quais destacamos o Grad-CAM. Neste sentido, e para contexto, as redes neuronais convolucionais têm sido utilizadas na cardiologia nuclear nas mais variadas tarefas como na otimização da qualidade de imagens, na reconstrução de dados e na classificação de estudos para apoio ao diagnóstico. Adicionalmente, vários investigadores têm estudado particularmente a classificação em imagens de baixa dose depois de sobreamostragem para dose convencional. No entanto, a literatura ainda carece de estudos relativos à classificação de imagens de dose convencional e reduzida com posterior comparação entre ambas. Neste projeto temos como objetivo desenvolver um modelo de classificação de imagens reais full-time e low-time de perfusão do miocárdio, avaliando a aplicação do uso de imagens sintéticas geradas a partir do método de reamostragem de Poisson em tarefas de classificação.Myocardial perfusion imaging (MPI) by single-photon emission computed tomography (SPECT) plays a crucial role in the diagnosis of coronary artery disease. Moreover, the quantification of these images typically involves the extraction of quantitative parameters obtained from the rest stress perfusion. However, the acquisition systems have some limitations such as spatial blurring and low-count data, which may introduce bias in the classification. Additionally, these processes are time-consuming and user-dependent, leading to significant intra and inter-operator variability. Furthermore, over the years there has been a constant effort to reduce the dose of MPI. In this sense, both the variability classification issues and the dose reduction concerns can impact the true assessment of SPECT-MPI. In recent years, with the rise of artificial intelligence algorithms, several studies have proposed automatic Deep Learning techniques for the classification of MPI, moreover regarding low-count data. In this project, we ran 5 Convolutional Neural Network models with pre-trained weights: one trained on stress real full-time data (100%, as 100R), three individual models with synthetic 75%, 50% and 25% count settings and another one with all datasets combined (ALL). Thus, we compared their performance when tested on full-time and low-time studies and assessed the application of synthetic subsampled data from the Poisson Resampling technique in SPECT-MPI classification tasks. As a conclusion, both 100R and ALL models achieved good and similar results when tested with real full-time (100R model achieved an accuracy of 0.70 and ALL model achieved na accuracy of 0.65) and real low-time at 75% (both models achieved and accuracy of 0.71). Bellow this percentage, the models’ accuracy began to drop, possibly due to the limited information these images contain. Thus, subsampled data from a Poisson resampling method may be a possible solution to conduct further studies regarding the classification of low-time SPECT-MPI.N/

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

Time of flight simulation and reconstruction in Hybrid MR-PET Systems

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2018In traditional PET, coincidence electronics are used to determine the line of response along which an an- nihilation has occurred. With time-of-flight(TOF), the approximate position of the annihilation along the line of annihilation is calculated by measuring the difference between the arrival time of the photons in the detectors. In the literature, TOF images show (in general) a lower level of noise and better resolution compared to non-TOF images. The lower noise and amplified sensitivity of TOF reconstruction could favour a better use of the full resolution potential of PET scanners. The first part of this thesis focuses on the possibility of using faster simulating methods, more specifi- cally, the possibility of replacing the time consuming GATE simulations by a script (from Paola Solevi from Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg) was studied. The results show that the values obtained in the simulations with the Hoffman Brain Phantom are very similar between the two methods, showing the viability of this script with this phantom. Then, the same procedure was performed using a Voxelized Brain Phantom. This time the results were different from the ones obtained before because the values obtained with the two methods are very different. Therefore, it is important to know if there is some kind of problem with the phantom used that origins those results or if the problem comes from the script. The second part of this thesis focuses on the development of reconstruction procedures for simulations done with the GE Signa PET-MR scanner. The methods includes the simulation of three phantoms (of- fcenter cylinder and Hoffman Brain Phantom to reconstruct and a large cylinder for the normalisation), a coordinates algorithm developed in MATLAB that can calculate the correct coordinates, for the sino- grams, from the GATE coordinate output and a method that, from an uncorrected sinogram, obtains an arc corrected sinogram that can be used in reconstructions. The results show that the reconstructions were successful, without any artifacts. The reconstructions done without each one of the corrections, show artifacts in both phantoms. These results show the importance of doing corrections before recon- structing the data

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

Characterization of Dedicated PET Equipment with Non-Conventional Geometry

[ES] Desde su creación en la década de 1950, las imágenes tomográficas han resultado muy valiosas en el ámbito médico ayudando tanto en el diagnóstico como en el tratamiento de múltiples enfermedades. Dentro de la imagen molecular, los escáneres PET (Tomografía por Emisión de Positrones) generan información detallada de la interacción de los radio-trazadores con el tejido de estudio, pudiendo combinar dicha información con imagen anatómica de escáneres TC (Tomografía Computarizada) o RM (Resonancia Magnética). Con el fin de aumentar las prestaciones de estos equipos, como la sensibilidad y la resolución espacial, los PET de cuerpo completo recientemente aumentan su cobertura axial. Sin embargo, el precio de estos dispositivos se multiplica, dificultando su compra en muchos hospitales y centros de investigación. Como alternativa, los escáneres PET específicos de órganos manejan un menor número de detectores haciéndolos más económicos. El objetivo de este tipo de escáneres es mejorar el rendimiento de los dispositivos acercando los detectores al paciente lo máximo posible, optimizando su diseño para un órgano en específico. Otra ventaja es la posible portabilidad de los aparatos. En esta tesis introducimos dos posibles diseños de PET específicos orientados a distintos órganos y con diferente tecnología y geometría y además un escáner preclínico con una geometría novedosa. El primer escáner fue construido de un proyecto nacional llamado PROSPET, fue diseñado y optimizado para hacer imagen de la próstata, debido a la conocida elevada tasa de cáncer de próstata en hombres. El 17% de la población masculina sufrirá cáncer de próstata. El detector escogido para este diseño está compuesto por cristales centelladores monolíticos acoplados a una matriz de fotomultiplicadores de silicio. Inicialmente se pensó en crear un escáner compuesto por dos palas. Sin embargo, los resultados con pacientes no fueron satisfactorios debido a la falta de información angular y la ausencia de información temporal precisa en los detectores. Por tanto, se construyó una configuración de anillo con un diámetro reducido en comparación con escáneres de cuerpo completo. Se apreció un aumento en la sensibilidad y la resolución espacial, así como una buena calidad de imagen utilizando fantomas. El segundo escáner, llamado proyecto CardioPET, está orientado a visualizar el corazón cuando el paciente está sometido a condiciones de estrés farmacológico. Para este dispositivo se utilizó el diseño de dos palas, pero usando cristales pixelados, mejorando la resolución temporal, permitiendo implantar algoritmos de tiempo de vuelo. Se han montado y testeado dos palas tanto con simulaciones como experimentalmente con buenas prestaciones. Además, se procedió a registrar el movimiento de las fuentes de radiación con el fin de aplicar correcciones de movimiento con la ayuda de una cámara externa y unos marcadores ARUCO. Los algoritmos de corrección de movimiento fueron testeados, demostrando un buen funcionamiento. El último dispositivo fue diseñado para optimizar la configuración PET de anillo lo máximo posible. Para ello, se eliminaron los espaciados entre detectores en un escáner pequeño de animales, creando un único detector centellador de forma cilíndrica. Con esto se busca aumentar la sensibilidad, pues ya no se pierden interacciones en los huecos, y también la resolución espacial. Dos prototipos fueron testeados con simulaciones, y validados experimentalmente. El primero con caras de salida planas y el segundo totalmente cilíndrico. En ambos diseños se observaron efectos debidos a la curvatura del detector que necesariamente han de ser compensados con una calibración.[CA] Des de la seua creació en la dècada de 1950, les imatges tomogràfiques hi han resultat molt valuoses en àmbit mèdic ajudant tant en el diagnòstic com en el tractament de moltes malalties. Dins de la imatge molecular, els escàners PET (Tomografia per Emissió de Positrons) generen informació detallada de la interacció dels traçadors amb el teixit del pacient, podent combinar aquesta informació amb imatge anatòmica d'escàners TC (Tomografia Axial Automatitzada) o RM (Ressonancia Magnètica). Amb el fi d'augmentar les prestacions d’aquests equips, els PET de cos complet augmenten la seua cobertura axial, multiplicant el preu dels dispositius i dificultant la seua compra en hospitals i centres d’investigació. Com a alternativa, els escàners PET específics d'òrgans utilitzen un menor nombre de detectors resultant així un preu més econòmic. Un altre avantatge és la possible portabilitat dels aparells. En aquesta tesi abordem tres possibles dissenys de PET específics orientats a diferents òrgans i amb diferent tecnologia i geometria. El primer de tots, un projecte nacional denominat PROSPET, ha sigut dissenyat i optimitzat per a fer imatge de la pròstata, ja que és molt coneguda l'elevada taxa de càncer de pròstata en homes. El 17% de población masculina patirà càncer de pròstata. El detector escollit per a aquest disseny està format per cristals centellejadors monolítics acoblats a una matriu de fotomultiplicadors de silici. De primeres es va pensar a crear un escàner compost per dues pales, ja que permetria disposar els detectors molt a prop del pacient. El resultat no va ser molt satisfactori a causa de la falta d'informació angular i l'absència d'informació temporal precisa. Per tant, l'última iteració va consistir en una configuració d'anell amb un diàmetre reduït en comparació amb els escàners de cos complet. Es va observar una millora en la sensibilitat i la resolució espacial, així com una qualitat d'imatge acceptable. El segon dispositiu va ser dissenyat per a optimitzar la configuració d'anell el màxim possible. Per això es van llevar els espaiats entre detectors, creant un únic detector de forma cilíndrica. Amb aquest disseny es busca augmentar la sensibilitat, ja que no es perden interaccions en els espaiats, i també la resolució espacial. Dos prototips van ser testejats amb simulacions i validats experimentalment. El primer amb cares d'eixida planars i el segon totalment cilíndric. En els dos dissenys es va observar efectes deguts a la curvatura del detector que necessàriament ha de ser compensat amb una calibració. L’últim escàner, denominat projecte CardioPET, està orientat a visualitzar el cor durant el pacient quan és sotmés a condicions d'estrés farmacologic. escàner, denominat projecte CardioPET, està orientat a visualitzar el cor durant el pacient quan és sotmés a condicions d'estrés. Es va recuperar el disseny de les pales per aquest dispositiu, però utilitzant cristals pixelats, millorant la resolució temporal. Dues pales van ser muntades i testejades tant amb simulacions com experimentalment amb bones prestacions. A més, es va registrar el moviment de les fonts de radiació amb la fi d'aplicar correcció de moviment amb l'ajuda d'una càmera externa i uns marcadors ARUCO. Els algoritmes de correcció de moviment també van ser testejats, demostrant un bon funcionament. L'últim dispositiu va ser dissenyat per a optimitzar la configuració d'anell el màxim possible. Per això es van llevar els espaiats entre detectors, creant un únic detector de forma cilíndrica. Amb aquest disseny es busca augmentar la sensibilitat, ja que no es perden interaccions en els espaiats, i també la resolució espacial. Dos prototips van ser testejats amb simulacions i validats experimentalment. El primer amb cares d'eixida planars i el segon totalment cilíndric. En els dos dissenys es va observar efectes deguts a la curvatura del detector que necessàriament ha de ser compensat amb una calibració.[EN] Since their introduction in the 1950-decade, tomographic images have become very valuable in the medical field helping both in diagnostics and in a variety of illnesses treatment. In the molecular imaging field, Positron Emission Tomography (PET) provides accurate information of the radio-tracers interactions with the patient tissue. Moreover, it is possible to combine this information with anatomical images provided by CT (Computed Tomography) or MR (Magnetic Resonance) scanners. With the aim to improve PET systems performance, such as the spatial resolution and the sensitivity, whole body (WB) PET scanners with large axial coverage are recently proposed. However, the system cost increases and, thus, makes difficult their installation in many hospitals or research centers. Organ-dedicated PET scanners, as an alternative to such large systems, use a lower number of detectors, so their price is considerably more economical. The goal of this kind of systems is to boost PET performance by placing the detectors as close as possible to the patient, optimizing the design for a specific organ instead of a large volume. Other advantage of these scanners is their portability. In this thesis we have worked in the design and validation of two organ-dedicated PET scanners with different geometries and technologies, as well as in a novel pre-clinical PET. The first scanner was the result from a national project called PROSPET. A PET system was designed and optimized to image the prostate area. Notice there is a high incidence rate of prostate cancer in the male population. 17% of male population will suffer prostate cancer. For this scanner, the detector modules were composed by a monolithic LYSO scintillation block coupled to a photosensor array based on silicon photomultipliers (SiPM). The first design configuration was made by two panels. However, patient results were not satisfactory due to the lack of angular information and the poor detector time resolution. Therefore, it was rebuilt in a ring configuration with a reduced diameter in comparison with WB-PET scanners. A high sensitivity and spatial resolution were found, as well as a good image quality using phantoms. The second PET scanner, called CardioPET, also arose from a national grant, and it was implemented to visualize the heart area when the patient is under stress condition. The two panels geometry was also implemented for this system, but using pixelated crystals, therefore improving the detector time resolution and allowing to use time of flight (TOF) reconstruction algorithms. Two panels were mounted and tested with both simulation and experimental data with good results. Furthermore, the patient motion was registered applying movement correction techniques with the help of an external optical camera device and ARUCO markers. These algorithms were tested showing a good performance. The last device that we worked within this PhD thesis was designed to optimize the classical ring PET configuration as much as possible. To do so, the gaps between the detector modules in a small animal PET were eliminated by building a single detector with a cylindrical scintillator shape. The goal is to improve the sensitivity, given that there are no event losses in the gaps and to also boost the spatial resolution since there are not edges. Two prototypes were tested with simulations, and experimentally validated as well. The first of them was built with planar outer faces whereas the second was fully cylindrical. In both designs some effects originated from the detector curvature were observed and successfully corrected during the calibration.This thesis was supported by a FPI grant under 2017-08582 reference in the PhD program: “Programa de Doctorado en Tecnologías para la Salud y el Bienestar” belonging to the Polytechnic University of Valencia. The grant was supported by the “Consejo Superior de Investigaciones Científicas” together with the “Agencia Estatal de Investigación” and the “Fondo Social Europeo”.Cañizares Ledo, G. (2022). Characterization of Dedicated PET Equipment with Non-Conventional Geometry [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/184977TESI

Efficient methodologies for system matrix modelling in iterative image reconstruction for rotating high-resolution PET

A fully 3D iterative image reconstruction algorithm has been developed for high-resolution PET cameras composed of pixelated scintillator crystal arrays and rotating planar detectors, based on the ordered subsets approach. The associated system matrix is precalculated with Monte Carlo methods that incorporate physical effects not included in analytical models, such as positron range effects and interaction of the incident gammas with the scintillator material. Custom Monte Carlo methodologies have been developed and optimized for modelling of system matrices for fast iterative image reconstruction adapted to specific scanner geometries, without redundant calculations. According to the methodology proposed here, only one-eighth of the voxels within two central transaxial slices need to be modelled in detail. The rest of the system matrix elements can be obtained with the aid of axial symmetries and redundancies, as well as in-plane symmetries within transaxial slices. Sparse matrix techniques for the non-zero system matrix elements are employed, allowing for fast execution of the image reconstruction process. This 3D image reconstruction scheme has been compared in terms of image quality to a 2D fast implementation of the OSEM algorithm combined with Fourier rebinning approaches. This work confirms the superiority of fully 3D OSEM in terms of spatial resolution, contrast recovery and noise reduction as compared to conventional 2D approaches based on rebinning schemes. At the same time it demonstrates that fully 3D methodologies can be efficiently applied to the image reconstruction problem for high-resolution rotational PET cameras by applying accurate pre-calculated system models and taking advantage of the system's symmetries

Improving quantification in non-TOF 3D PET/MR by incorporating photon energy information

Hybrid PET/MR systems combine functional information obtained from positron emission tomography (PET) and anatomical information from magnetic resonance (MR) imaging. In spite of the advantages that such systems can offer, PET attenuation correction still represents one of the biggest challenges for imaging in the thorax. This is due to the fact that the MR signal is not directly correlated to gamma-photon attenuation. In current practice, pre-defined population-based attenuation values are used. However, this approach is prone to errors in tissues such as the lung where a variability of attenuation values can be found both within and between patients. A way to overcome this limitation is to exploit the fact that stand-alone PET emission data contain information on both the distribution of the radiotracer and photon attenuation. However, attempts to estimate the attenuation map from emission data only have shown limited success unless time-of-flight PET data is available. Several groups have investigated the possibility of using scattered data as an additional source of information to overcome re- construction ambiguities. This thesis presents work to extend the previous methods by using PET emission data acquired at multiple energy windows and incorporating prior information derived from MR. This thesis is organised as follows. We first cover both the literature and mathematical theory relevant to the framework. Then, we present and discuss results on the case of attenu- ation estimation from scattered data only, when the activity distribution is known. We then give an overview of several candidates for joint reconstruction, which reconstruct both the activity and attenuation from scattered and unscattered data. We present extensive results using simulated data and compare the proposed methods to state-of-the-art MLAA from a single energy window acquisition. We conclude with suggestions for future work to bring the proposed method into clinical practice