Recent developments in time-of-flight PET

While the first time-of-flight (TOF)-positron emission tomography (PET) systems were already built in the early 1980s, limited clinical studies were acquired on these scanners. PET was still a research tool, and the available TOF-PET systems were experimental. Due to a combination of low stopping power and limited spatial resolution (caused by limited light output of the scintillators), these systems could not compete with bismuth germanate (BGO)-based PET scanners. Developments on TOF system were limited for about a decade but started again around 2000. The combination of fast photomultipliers, scintillators with high density, modern electronics, and faster computing power for image reconstruction have made it possible to introduce this principle in clinical TOF-PET systems. This paper reviews recent developments in system design, image reconstruction, corrections, and the potential in new applications for TOF-PET. After explaining the basic principles of time-of-flight, the difficulties in detector technology and electronics to obtain a good and stable timing resolution are shortly explained. The available clinical systems and prototypes under development are described in detail. The development of this type of PET scanner also requires modified image reconstruction with accurate modeling and correction methods. The additional dimension introduced by the time difference motivates a shift from sinogram- to listmode-based reconstruction. This reconstruction is however rather slow and therefore rebinning techniques specific for TOF data have been proposed. The main motivation for TOF-PET remains the large potential for image quality improvement and more accurate quantification for a given number of counts. The gain is related to the ratio of object size and spatial extent of the TOF kernel and is therefore particularly relevant for heavy patients, where image quality degrades significantly due to increased attenuation (low counts) and high scatter fractions. The original calculations for the gain were based on analytical methods. Recent publications for iterative reconstruction have shown that it is difficult to quantify TOF gain into one factor. The gain depends on the measured distribution, the location within the object, and the count rate. In a clinical situation, the gain can be used to either increase the standardized uptake value (SUV) or reduce the image acquisition time or administered dose. The localized nature of the TOF kernel makes it possible to utilize local tomography reconstruction or to separate emission from transmission data. The introduction of TOF also improves the joint estimation of transmission and emission images from emission data only. TOF is also interesting for new applications of PET-like isotopes with low branching ratio for positron fraction. The local nature also reduces the need for fine angular sampling, which makes TOF interesting for limited angle situations like breast PET and online dose imaging in proton or hadron therapy. The aim of this review is to introduce the reader in an educational way into the topic of TOF-PET and to give an overview of the benefits and new opportunities in using this additional information

Improving Quantification in Lung PET/CT for the Evaluation of Disease Progression and Treatment Effectiveness

Positron Emission Tomography (PET) allows imaging of functional processes in vivo by measuring the distribution of an administered radiotracer. Whilst one of its main uses is directed towards lung cancer, there is an increased interest in diffuse lung diseases, for which the incidences rise every year, mainly due to environmental reasons and population ageing. However, PET acquisitions in the lung are particularly challenging due to several effects, including the inevitable cardiac and respiratory motion and the loss of spatial resolution due to low density, causing increased positron range. This thesis will focus on Idiopathic Pulmonary Fibrosis (IPF), a disease whose aetiology is poorly understood while patient survival is limited to a few years only. Contrary to lung tumours, this diffuse lung disease modifies the lung architecture more globally. The changes result in small structures with varying densities. Previous work has developed data analysis techniques addressing some of the challenges of imaging patients with IPF. However, robust reconstruction techniques are still necessary to obtain quantitative measures for such data, where it should be beneficial to exploit recent advances in PET scanner hardware such as Time of Flight (TOF) and respiratory motion monitoring. Firstly, positron range in the lung will be discussed, evaluating its effect in density-varying media, such as fibrotic lung. Secondly, the general effect of using incorrect attenuation data in lung PET reconstructions will be assessed. The study will compare TOF and non-TOF reconstructions and quantify the local and global artefacts created by data inconsistencies and respiratory motion. Then, motion compensation will be addressed by proposing a method which takes into account the changes of density and activity in the lungs during the respiration, via the estimation of the volume changes using the deformation fields. The method is evaluated on late time frame PET acquisitions using ¹⁸F-FDG where the radiotracer distribution has stabilised. It is then used as the basis for a method for motion compensation of the early time frames (starting with the administration of the radiotracer), leading to a technique that could be used for motion compensation of kinetic measures. Preliminary results are provided for kinetic parameters extracted from short dynamic data using ¹⁸F-FDG

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

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

Optical simulation study for high resolution monolithic detector design for TB-PET

Background The main limitations in positron emission tomography (PET) are the limited sensitivity and relatively poor spatial resolution. The administered radioactive dose and scan time could be reduced by increasing system sensitivity with a total-body (TB) PET design. The second limitation, spatial resolution, mainly originates from the specific design of the detectors that are implemented. In state-of-the-art scanners, the detectors consist of pixelated crystal arrays, where each individual crystal is isolated from its neighbors with reflector material. To obtain higher spatial resolution the crystals can be made narrower which inevitably leads to more inter-crystal scatter and larger dead space between the crystals. A monolithic detector design shows superior characteristics in (i) light collection efficiency (no gaps), (ii) timing, as it significantly reduces the number of reflections and therefore the path length of each scintillation photon and (iii) spatial resolution (including better depth-of-interaction (DOI)). The aim of this work is to develop a precise simulation model based on measured crystal data and use this powerful tool to find the limits in spatial resolution for a monolithic detector for the use in TB-PET. Materials and methods A detector (Fig. 1) based on a monolithic 50x50x16 mm3 lutetium-(yttrium) oxyorthosilicate (L(Y)SO) scintillation crystal coupled to an 8x8 array of 6x6mm2 silicon photomultipliers (SiPMs) is simulated with GATE. A recently implemented reflection model for scintillation light allows simulations based on measured surface data (1). The modeled surfaces include black painted rough finishing on the crystal sides (16x50mm2) and a specular reflector attached to a polished crystal top (50x50mm2). Maximum Likelihood estimation (MLE) is used for positioning the events. Therefore, calibration data is obtained by generating 3.000 photo-electric events at given calibration positions (Fig. 1). Compton scatter is not (yet) included. In a next step, the calibration data is organized in three layers based on the exact depth coordinate in the crystal (i.e. DOI assumed to be known). For evaluating the resolution, the full width at half maximum (FWHM) is estimated at the irradiated positions of Fig. 2 as a mean of all profiles in vertical and horizontal direction. Next, uniformity is evaluated by simulating 200k events from a flood source, placed in the calibrated area. Results For the irradiation pattern in Fig. 2 the resolution in terms of FWHM when applying MLE is: 0.86±0.13mm (Fig. 3a). Nevertheless, there are major artifacts also at non-irradiated positions. By positioning the events based on three DOI-based layers it can be seen that the events closest to the photodetector introduce the largest artifacts (Fig. 3b-d). The FWHM improves for Layer 1 and 2, to 0.69±0.04mm and 0.59±0.02mm, respectively. Layer 3 introduces major artifacts to the flood map, as events are positioned at completely different locations as the initial irradiation. A FWHM estimation is thus not useful. The uniformity (Fig. 4) degrades with proximity to the photodetector. The map in Fig. 4c shows that the positioning accuracy depends not only on DOI but also the position in the plane parallel to the photodetector array. Conclusions A simulation model for a monolithic PET detector with good characteristics for TB-PET systems was developed with GATE. A first estimate of the spatial resolution and uniformity was given, pointing out the importance of depth-dependent effects. Future studies will include several steps towards more realistic simulations e.g. surface measurements of our specific crystals for the optical surface model and inclusion of the Compton effect

An SiPM-basead PET-TOF demonstrator: test and evaluation of the image reconstruction software and implementation of a TOF algorithm for improved imaging

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Radiações em Diagnóstico e Terapia)Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016O cancro da mama é a neoplasia maligna com maior taxa de incidência nas mulheres, sendo também uma das maiores causas de morte por cancro. Nos últimos anos têm sido realizados esforços no sentido de se desenvolverem novas técnicas imagiológicas que permitam uma deteção do cancro da mama no seu estado mais inicial. O uso destas técnicas permite a existência de um da doença com metodologias menos agressivas para o paciente e potencialmente mais eficazes. Estas novas técnicas visam também ultrapassar as dificuldades sentidas pelas técnicas mais antigas em analisar, por exemplo, mamas densas, ou até em detetar lesões em zonas anteriormente de acesso muito difícil, como a zona axilar. Atualmente, a tecnologia de imagem médica mais usada para a deteção e acompanhamento destas neoplasias é a mamografia por raios-X. Outros métodos de imagem, tais como os ultrassons e a ressonância magnética, desempenham um papel importante como técnicas auxiliares à mamografia por raios-X, principalmente quando a sensibilidade do uso de raios-X é baixa (por exemplo, devido a uma elevada densidade da mama). As tecnologias acima referidas produzem, essencialmente, imagens anatómicas, não sendo capazes de obter informação sobre alterações funcionais ou metabólicas nos tecidos. Assim, os métodos de imagem médica molecular, como são a Cintigrafia, a Tomografia Computorizada por Emissão de Fotão Único (SPECT) e a Tomografia por Emissão de Positrões (PET), introduzem informação complementar aos métodos de imagem anatómica. No entanto, estas técnicas de imagem funcional estão direcionadas para imagens de corpo inteiro, verificando-se uma baixa sensibilidade de deteção das pequenas lesões da mama. Neste contexto, tem-se assistido nos últimos anos à criação de equipamentos compactos baseados na cintigrafia e na tecnologia PET, com elevada sensibilidade para detetar as neoplasias características do cancro da mama. Esta evolução, direcionada para a imagem no diagnóstico e tratamento do cancro da mama, surge assim, como uma nova tecnologia designada por Mamografia por Emissão de Positrões (PEM). A Mamografia por Emissão de Positrões (PEM) é uma técnica promissora e decisiva na conquista deste objetivo. A PEM apresenta-se como uma técnica imagiológica funcional e não-invasiva, que se dedica à imagem da mama, partilhando os seus princípios físicos com a tomografia por emissão de positrões (PET). Alguns sistemas de imagem têm sido desenvolvidos neste âmbito, no contexto dos quais surge o novo protótipo desenvolvido e aqui estudado e que se denomina SiPM-based PET-ToF demonstrator. Este apresenta-se como um scanner de alta resolução e sensibilidade com capacidade de obtenção precisa de informação do tempo-de-voo (TOF) das partículas após aniquilação, desenvolvido pela PETsys Electronics, S.A em parceria com o consórcio de PET e com o LIP - Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas. O SiPM-based PET-ToF demonstrator apresenta uma geometria de ^angulo limitado que proporciona exibilidade na colocação do scanner ao redor do paciente, bem como a possibilidade de o de combinar com outras técnicas de imagiologia e diagnóstico. É de grande importância referir que o protótipo avaliado ao longo deste projeto foi desenvolvido com capacidades para obtenção da informação do tempo-de-voo das partículas, característica que tem sido alvo de muitos estudos para obtenção de melhores resultados na reconstrução da imagem final. Ou seja, através da integração da informação do tempo-de-voo das partículas no software de reconstrução de imagem é possível estimar a localização precisa do local onde ocorreu a aniquilação dos positrões ao longo da linha-de-resposta (LOR) estimada. Isto tem importância na reconstrução de imagem, uma vez que permite obter uma melhor e mais correta quantificação da imagem final, melhorando por consequência a deteção de uma possível lesão. Com base nisto, o trabalho desenvolvido no âmbito desta dissertação de mestrado tem como principal propósito avaliar e melhorar o software de reconstrução de imagem utilizado pela PETsys Electronics S.A, especificamente para o SiPM-based PET-ToF demonstrator, bem como a inclusão do algoritmo de tempo-de-voo nesse mesmo software. Para tal, recorreu-se ao método de simulação de Monte Carlo. A metodologia adotada procurou reproduzir de uma forma realística, a geometria do detetor, o ambiente de radiação e fatores instrumentais relacionados com o sistema de imagem. Foram executados testes para validação dos dados simulados recorrendo ao uso de dados obtidos experimentalmente. Foram também avaliados os dados experimentais de forma a obter a resolução espacial intrínseca do protótipo em estudo. Após validação da geometria simulada do SiPM-based PET-ToF demonstrator, foi avaliado o processo de normalização, já utilizado para outros scanners desenvolvidos na PETsys Electronics S.A, para correção de artefactos na obtenção da imagem final. Este estudo foi feito com base em dados obtidos através de simulações de Monte Carlo, e teve como principal objetivo otimizar o processo de normalização utilizado especificamente para este novo protótipo. Após validação e otimização da metodologia de normalização no processo de reconstrução de imagem, o software foi alterado de modo a incluir o algoritmo do tempo-de-voo. Para validação desta alteração, foi realizado um estudo recorrendo a simulações de diferentes fantomas, onde as imagens foram posteriormente reconstruídas utilizando o software com e sem o algoritmo de tempo-de-voo. A resolução espacial, o número de contagens, a sensibilidade e a razão sinal-ruído foram alguns dos parâmetros avaliados ao longo desta tese. Os resultados obtidos demonstraram que os fatores utilizados no processo de normalização têm uma grande influência no que diz respeito a estimar imagem final, uma vez que permite a obtenção de imagens com formas melhor definidas e com menos ruído de fundo. Da mesma forma, a integração do tempo-de-voo na metodologia de reconstrução de imagem confirmou ser um ótimo complemento, uma vez que permitiu a obtenção de melhorias na qualidade das imagens. No entanto, é importante realçar que foram verificados alguns erros durante o tratamento dos dados desta última parte do estudo apresentado nesta tese, que necessitam de ser avaliados e corrigidos futuramente.Positron Emission Mammography (PEM) with 18F-Fluorodeoxyglucose is a functional imaging technique useful for breast cancer detection. The improvement of the detection of early stage breast cancer depends on the development of dedicated imaging systems with high sensitivity and spatial resolution. Also, many studies have supported the inclusion of time-of-flight information in the image reconstruction methods since this can allow for the improvement of image quality and quantitative accuracy, thereby improving lesion detectability. The SiPM-based PET-ToF demonstrator is a high resolution and sensitivity scanner with TOF capabilities developed by PETsys Electronics, S.A. in partnership with the PET-Consortium (eight technology and medical institutions, since 2003) and LIPLaboratory for Particle Physics, Lisbon (Detector and electronics development for CERN experiments since 20 years). The work presented in this thesis focus on the study of the performance of detector imaging quality and on the inclusion of TOF algorithm in the image reconstruction method used in the PETsys Electronics Systems. The image reconstruction method used during the work was already studied for the Clear-PEM system and it's here adapted for the SiPMbased PET-ToF demonstrator geometry and configuration. To achieve this, a realistic design of the detector was performed in the software used for numerical simulations of the final imaging. Monte Carlo data was provided to validate and optimize the changes done in image reconstruction algorithm and to investigate the normalization process in final imaging acquisition. It was demonstrated that the normalization factors used in image reconstruction have a big influence in the final result obtained, since it allows to obtain better defined image shapes and with less background noise. Similarly, the integration of time-of-flight information has confirmed to be of value in image reconstruction methodology, since it improves PET imaging quality. However, the image reconstruction methodology proposed here is still imperfect, resulting in the need for future work

Development of a simulation platform for the evaluation of PET neuroimaging protocols in epilepsy

Monte Carlo simulation of PET studies is a reference tool for the evaluation and standardization of PET protocols. However, current Monte Carlo software codes require a high degree of knowledge in physics, mathematics and programming languages, in addition to a high cost of time and computational resources. These drawbacks make their use difficult for a large part of the scientific community. In order to overcome these limitations, a free and an efficient web-based platform was designed, implemented and validated for the simulation of realistic brain PET studies, and specifically employed for the generation of a wellvalidated large database of brain FDG-PET studies of patients with refractory epilepsy