Improvements in the registration of multimodal medical imaging : application to intensity inhomogeneity and partial volume corrections

Alignment or registration of medical images has a relevant role on clinical diagnostic and treatment decisions as well as in research settings. With the advent of new technologies for multimodal imaging, robust registration of functional and anatomical information is still a challenge, particular in small-animal imaging given the lesser structural content of certain anatomical parts, such as the brain, than in humans. Besides, patient-dependent and acquisition artefacts affecting the images information content further complicate registration, as is the case of intensity inhomogeneities (IIH) showing in MRI and the partial volume effect (PVE) attached to PET imaging. Reference methods exist for accurate image registration but their performance is severely deteriorated in situations involving little images Overlap. While several approaches to IIH and PVE correction exist these methods still do not guarantee or rely on robust registration. This Thesis focuses on overcoming current limitations af registration to enable novel IIH and PVE correction methods.El registre d'imatges mèdiques té un paper rellevant en les decisions de diagnòstic i tractament clíniques així com en la recerca. Amb el desenvolupament de noves tecnologies d'imatge multimodal, el registre robust d'informació funcional i anatòmica és encara avui un repte, en particular, en imatge de petit animal amb un menor contingut estructural que en humans de certes parts anatòmiques com el cervell. A més, els artefactes induïts pel propi pacient i per la tècnica d'adquisició que afecten el contingut d'informació de les imatges complica encara més el procés de registre. És el cas de les inhomogeneïtats d'intensitat (IIH) que apareixen a les RM i de l'efecte de volum parcial (PVE) característic en PET. Tot i que existeixen mètodes de referència pel registre acurat d'imatges la seva eficàcia es veu greument minvada en casos de poc solapament entre les imatges. De la mateixa manera, també existeixen mètodes per la correcció d'IIH i de PVE però que no garanteixen o que requereixen un registre robust. Aquesta tesi es centra en superar aquestes limitacions sobre el registre per habilitar nous mètodes per la correcció d'IIH i de PVE

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

Improving resolution for the Siemens 3T MR-BrainPET

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2015A tomografia por emissão de positrões (acrónimo em inglês: PET) consiste numa técnica imagiológica não invasiva que permite obter informação in vivo sobre a distribuição espácio-temporal das moléculas. Antes da aquisição de imagem é necessário que um radiofármaco seja administrado ao paciente para que posteriormente este se distribua ao longo do corpo de acordo com a estrutura química e a fisiologia da pessoa. O PET é uma modalidade de imagem médica que se destaca pela aquisição de informação fisiológica. No entanto a informação anatómica fornecida por esta técnica é bastante escassa. Para contrariar esta limitação foi proposta a fusão do PET com outra modalidade que permitisse este tipo de informação: tomografia computorizada (acrónimo em inglês: CT) ou ressonância magnética nuclear (acrónimo em inglês: MRI). Inicialmente a fusão das duas imagens médicas não permitia a aquisição simultânea, baseando-se no co-registo das imagens adquiridas. Contudo, devido a vários erros causados pelas diferenças no posicionamento do paciente, foi proposto o desenvolvimento de sistemas híbridos que permitem a aquisição simultânea das diferentes imagens. Em 1998 foi proposto o primeiro sistema hídrico (com PET), PET/CT. Como técnicas de CT envolvem radiação ionizante e apresentam um reduzido contraste entre os tecidos moles, o PET/CT foi recentemente substituído por PET/MRI, permitindo a conjugação de informação molecular do PET com informação anatómica, funcional e estrutural da MRI. No entanto, esta fusão apresentou algumas dificuldades, como por exemplo os detetores e a eletrónica do PET serem sensíveis aos campos magnéticos da MRI. Entretanto foram desenvolvidos os fotodíodos de avalanche (acrónimo em inglês: APD) permitindo a construção dos sistemas híbridos PET/MRI. O BrainPET foi o primeiro sistema híbrido de PET/MRI, existindo apenas quatro scanners em todo o mundo. O scanner 3TMR-BrainPET, desenvolvido pela Siemens Medical Solution Inc., foi construído para imagiologia cerebral. Este scanner permite a aquisição de imagens PET com alta resolução (3 mm). Alguns exames médicos como o PET apresentam uma aquisição muito longa (aproximadamente 1 hora), tornando-se difícil para o paciente permanecer imóvel durante toda a aquisição. Por conseguinte, na maioria dos casos, o movimento torna-se inevitável, introduzindo artefactos na imagem e consequentemente degradando-a. Assim, torna-se fundamental corrigir este movimento para assegurar a qualidade ótima das imagens, oferecendo a perspetiva de melhorar o diagnóstico e o tratamento. Ao longo dos anos foram propostos diversos métodos de correção do movimento. Uns corrigem-no no domínio da imagem, corrigindo apenas o movimento entre as frames mas não o que ocorre dentro de cada uma delas, e outros no domínio dos eventos, em que a correção do movimento consegue ser mais precisa uma vez que é feita diretamente nos eventos adquiridos. No contexto PET/MRI, ambas as imagens, PET e MRI, podem ser utilizadas para estimar o movimento e posteriormente corrigi-lo. Nesta tese focar-nos-emos apenas na correção do movimento da cabeça que é considerado um movimento rígido e os parâmetros que o representam, três rotações e três translações de acordo com os três eixos Cartesianos (x, y e z), podem ser estimados utilizando algoritmos de registo de imagens. Este trabalho apresenta e testa um software de código aberto que dispõe desses algoritmos de dados multidimensionais, o Insight Toolkit (ITK), permitindo a estimação do movimento no domínio da imagem. O ITK já foi aplicado, com sucesso, em estudos de correções do movimento em modalidades técnicas de imagem, tanto para movimentos rígidos como deformáveis, que é o caso do movimento provocado pela respiração ou pelo batimento cardíaco. Relativamente à metodologia aplicada neste trabalho, inicialmente foram adquiridas imagens MPRAGE (imagens adquiridas com MRI) com o intuito de descobrir o alcance máximo do movimento da cabeça dentro das bobines do scanner. De seguida foram simulados quatro alcances diferentes: 1, 5, 10 e 30 de translação (mm) e de rotação (º) considerando os três eixos (x, y e z). Com o objetivo de testar a versatilidade do software, estas simulações foram realizadas em diversos tipos de imagens como, imagens clinicas, [18F]-FDG (imagem adquirida com PET) e EPI (imagem adquirida com MRI), e imagens de fantomas simulados, fantoma Utah e fantoma cerebral. Ao longo da dissertação foram realizados diversos estudos, como por exemplo, o estudo da influência da estatística de aquisição e do número de iterações do método de reconstrução de imagem na estimação do movimento. A estatística de aquisição influencia qualitativamente as imagens de PET, uma vez que quanto maior a estatística menor é o ruido. Ao mesmo tempo esta também é influenciada pelo número de iterações, visto que à medida que se aumenta o número de iterações o ruído da imagem aumenta, no entanto quando a imagem contém um número de iterações menor esta apresenta um bias maior. O ITK estima o movimento a partir de uma comparação de valores de intensidade das imagens, por conseguinte estas alterações qualitativas na imagem levam a diferentes estimações dos parâmetros do mesmo movimento simulado. Como um dos objetivos da tese consiste em verificar se o ITK pode ser utilizado para estimar o movimento no Instituto Forschungszentrum Juelich (FZJ), foram, adicionalmente, testadas imagens de cinco exames diferentes adquiridos rotineiramente no scanner 3TMR-BrainPET deste instituto. Em todas as imagens o movimento foi estimado utilizando o ITK. Este software apresenta um método iterativo para estimação do movimento. O ITK necessita de duas imagens de input, uma imagem fixa e uma imagem movida, enquanto o output deste software consiste em três translações e três rotações de acordo com os eixos cartesianos (transformada de Euler) que correspondem aos parâmetros do movimento rígido da cabeça. Ulteriormente, para corrigir esses movimentos, foram aplicadas transformadas inversas nas imagens afetadas pelo movimento. Estas transformadas podem ser aplicadas por outro programa, como por exemplo o PRESTO (PET REconstruction Software Toolkit), um software de reconstrução constituído por bibliotecas desenvolvidas em programação C++. Neste trabalho, utilizou-se o PRESTO para a aplicação das transformadas, na correção do movimento e na simulação dos fantomas e dos movimentos nas imagens. Atualmente o FZJ utiliza um software diferente do ITK para corrigir o movimento, o PMOD (PMOD Technologies Ltd, Zurique, Suíça). No entanto este apresenta algumas limitações, como por exemplo, o facto de ser um software comercial e este não poder ser incorporado no script de reconstrução, sendo necessário um processo adicional trabalhoso, ao contrário do ITK que permite que a correção do movimento seja feita automaticamente durante a reconstrução, corrigindo o movimento diretamente nas linhas de resposta (acrónimo em inglês: LORs). Adicionalmente o PMOD requer um utilizador com conhecimento prévio sobre o software para conseguir manuseá-lo. Para confirmar a viabilidade do ITK e verificar se este pode substituir o PMOD na correção do movimento no instituto, foi feita uma comparação entre os resultados dos dois software. Os resultados obtidos revelaram-se muito semelhantes, exceto quando se utiliza imagens de PET com baixa estatística ou imagens com grandes movimentos. Como as imagens sem correção de atenuação apresentam maior diferença de intensidades entre as fronteiras do objeto em estudo e o fundo da imagem, pensou-se na hipótese de os parâmetros do movimento obtidos pelo ITK ou pelo PMOD poderem apresentar erros menores utilizando imagens sem correção de atenuação. Ao mesmo tempo, como a correção do movimento atualmente no instituto está a ser realizada depois da reconstrução, um mapa de atenuação errado (mapa que não considera o movimento) está a ser aplicado à imagem. Neste sentido, o impacto do mapa de atenuação aplicado às imagens afetadas pelo movimento foi também estudado nesta dissertação. Os maiores erros foram encontrados quando se utilizou imagens sem correção de atenuação. Os bons resultados do PMOD revelaram-se mais dependentes da aplicação do mapa de atenuação correto. Em conclusão o ITK apresentou melhores resultados que o PMOD e a diferença entre as três imagens testadas pelo ITK não se revelou muito significativa. Com o objetivo de melhorar os resultados obtidos, três métricas diferentes do ITK (Mutual Information, Mean Squares e Normalized Correlation) foram comparadas entre si, aplicando diferentes imagens de PET e de MRI como input. Este teste mostrou que a métrica é um parâmetro altamente dependente do problema que se tenta resolver. A métrica mutual information é a melhor métrica para corrigir o movimento utilizando imagens de diferentes modalidades, enquanto a métrica normalized correlation é a melhor nos estudos com imagens da mesma modalidade. De acordo com todos os resultados obtidos, pode-se afirmar que o ITK é um método viável para a estimação dos parâmetros do movimento rígido e tem capacidades de substituir o PMOD. Esses parâmetros, posteriormente, podem ser utilizados para a correção do movimento no pós-processamento de imagens de PET ou MRI.The Siemens 3TMR-BrainPET scanner is a hybrid system which allows simultaneous acquisition of MRI and PET. There are medical exams that have long acquisition time and then it is inevitable introducing blurring in images. Therefore motion correction strategies are mandatory. In PET/MRI context, both PET and MRI images can be used for this purpose. Head motion is considered as rigid motion and the motion parameters can be estimated with image registration algorithms. In this thesis a software which has available these algorithms, Insight Toolkit (ITK), will be presented and tested. First MPRAGE images were acquired to check the maximum motion range inside the scanner head coil during acquisition. Therefore four motion ranges were simulated in translation and rotation with respect to the three Cartesian axes. Testing the software versatility, these simulations were realized in different images: simulated and clinical data. Several studies were made with these images e.g. the influence of statistics and number of iterations in motion estimation. Additionally images from five different exams performed in FZJ were also used. The motion was estimated by ITK. The ITK output is three translations and three rotations which correspond to the rigid motion parameters. Subsequently, to correct the motion, inverse transformations were applied in moved images. Actually FZJ uses other software, PMOD (PMOD Technologies Ltd, Zurich, Switzerland) to motion correction. For the purpose of confirm the viability of ITK and to verify if it can replace the PMOD, ITK results were compared with PMOD results. Other tests were made with the aim to improve the results such as study the impact of the attenuation map in motion estimation and the comparison between ITK results using three different metrics. According to results, ITK is a viable method of motion parameter estimation which can be used for PET or MRI post-processing motion correction

PET/MR imaging of hypoxic atherosclerotic plaque using 64Cu-ATSM

ABSTRACT OF THE DISSERTATION PET/MR Imaging of Hypoxic Atherosclerotic Plaque Using 64Cu-ATSM by Xingyu Nie Doctor of Philosophy in Biomedical Engineering Washington University in St. Louis, 2017 Professor Pamela K. Woodard, Chair Professor Suzanne Lapi, Co-Chair It is important to accurately identify the factors involved in the progression of atherosclerosis because advanced atherosclerotic lesions are prone to rupture, leading to disability or death. Hypoxic areas have been known to be present in human atherosclerotic lesions, and lesion progression is associated with the formation of lipid-loaded macrophages and increased local inflammation which are potential major factors in the formation of vulnerable plaque. This dissertation work represents a comprehensive investigation of non-invasive identification of hypoxic atherosclerotic plaque in animal models and human subjects using the PET hypoxia imaging agent 64Cu-ATSM. We first demonstrated the feasibility of 64Cu-ATSM for the identification of hypoxic atherosclerotic plaque and evaluated the relative effects of diet and genetics on hypoxia progression in atherosclerotic plaque in a genetically-altered mouse model. We then fully validated the feasibility of using 64Cu-ATSM to image the extent of hypoxia in a rabbit model with atherosclerotic-like plaque using a simultaneous PET-MR system. We also proceeded with a pilot clinical trial to determine whether 64Cu-ATSM MR/PET scanning is capable of detecting hypoxic carotid atherosclerosis in human subjects. In order to improve the 64Cu-ATSM PET image quality, we investigated the Siemens HD (high-definition) PET software and 4 partial volume correction methods to correct for partial volume effects. In addition, we incorporated the attenuation effect of the carotid surface coil into the MR attenuation correction _-map to correct for photon attention. In the long term, this imaging strategy has the potential to help identify patients at risk for cardiovascular events, guide therapy, and add to the understanding of plaque biology in human patients

PET-guided delineation of radiation therapy treatment volumes: a survey of image segmentation techniques

Historically, anatomical CT and MR images were used to delineate the gross tumour volumes (GTVs) for radiotherapy treatment planning. The capabilities offered by modern radiation therapy units and the widespread availability of combined PET/CT scanners stimulated the development of biological PET imaging-guided radiation therapy treatment planning with the aim to produce highly conformal radiation dose distribution to the tumour. One of the most difficult issues facing PET-based treatment planning is the accurate delineation of target regions from typical blurred and noisy functional images. The major problems encountered are image segmentation and imperfect system response function. Image segmentation is defined as the process of classifying the voxels of an image into a set of distinct classes. The difficulty in PET image segmentation is compounded by the low spatial resolution and high noise characteristics of PET images. Despite the difficulties and known limitations, several image segmentation approaches have been proposed and used in the clinical setting including thresholding, edge detection, region growing, clustering, stochastic models, deformable models, classifiers and several other approaches. A detailed description of the various approaches proposed in the literature is reviewed. Moreover, we also briefly discuss some important considerations and limitations of the widely used techniques to guide practitioners in the field of radiation oncology. The strategies followed for validation and comparative assessment of various PET segmentation approaches are described. Future opportunities and the current challenges facing the adoption of PET-guided delineation of target volumes and its role in basic and clinical research are also addresse

Quantitative PET and SPECT

Since the introduction of personalized medicine, the primary focus of imaging has moved from detection and diagnosis to tissue characterization, the determination of prognosis, prediction of treatment efficacy, and measurement of treatment response. Precision (personalized) imaging heavily relies on the use of hybrid technologies and quantitative imaging biomarkers. The growing number of promising theragnostics require accurate quantification for pre- and post-treatment dosimetry. Furthermore, quantification is required in the pharmacokinetic analysis of new tracers and drugs and in the assessment of drug resistance. Positron Emission Tomography (PET) is, by nature, a quantitative imaging tool, relating the time–activity concentration in tissues and the basic functional parameters governing the biological processes being studied. Recent innovations in single photon emission computed tomography (SPECT) reconstruction techniques have allowed for SPECT to move from relative/semi-quantitative measures to absolute quantification. The strength of PET and SPECT is that they permit whole-body molecular imaging in a noninvasive way, evaluating multiple disease sites. Furthermore, serial scanning can be performed, allowing for the measurement of functional changes over time during therapeutic interventions. This Special Issue highlights the hot topics on quantitative PET and SPECT

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