Avances de la PET en investigación biomédica

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Aspectos técnicos de la tomografía por emisión de positrones

Actualmente la investigación biomédica entra en un período en el que los científicos se plantean problemas cada vez más complejos acerca de los procesos bioquímicos que acontecen en los organismos vivos. Una de las nuevas técnicas que permite monitorizar estos procesos de forma no invasiva es la denominada imagen molecular, que tiene como mejor herramienta la tomografía por emisión de positrones (PET). Gracias a que la PET es capaz de visualizar esos procesos a un nivel molecular, se puede usar en múltiples aplicaciones, entre las que cabe destacar el diagnóstico y seguimiento de pacientes, la investigación farmacológica y el desarrollo de nuevos fármacos, el estudio de enfermedades humanas en modelos de laboratorio, y la caracterización de la expresión genética y el estudio de los cambios inducidos en el fenotipo por la manipulación genética en estudios con animales de laboratorio. Sin embargo se trata de una técnica muy compleja, en la que la calidad de imagen final y su valor diagnóstico dependen de muchos factores que interactúan entre sí y que son difíciles de controlar si no se comprenden sus fundamentos. En este artículo se introducen los conceptos básicos y se analizan los efectos más importantes a tener en cuenta cuando se trabaja con esta técnica, como son la resolución, el volumen parcial, al atenuación, la dispersión, el tiempo muerto, las coincidencias aleatorias, y la sensibilidad y calibración del sistema.Modern biomedical research is entering a period in which researchers pose increasingly sophisticated questions about biochemical processes occurring in living beings. Non-invasive molecular imaging techniques such as positron emission tomography (PET) provide a powerful tool for the study of these phenomena at the molecular level. Among the more promising areas for PET are patient diagnosis and treatment follow up, applications in drug discovery and development, the study of human disease models, and in characterizing gene expression and phenotype changes in laboratory animals that arise from genetic manipulation. In order to carry out such studies successfully, however, it is needed an appropriate understanding of the complex PET technology. This paper gives an introduction to the PET imaging fundamentals and describes the most relevant effects that should be taken into account when working with this technology: resolution, partial volume effect, attenuation, scatter, dead time, random coincidences, sensibility and system calibration.Publicad

Positron Emission Tomography: Current Challenges and Opportunities for Technological Advances in Clinical and Preclinical Imaging Systems

Positron emission tomography (PET) imaging is based on detecting two time-coincident high-energy photons from the emission of a positronemitting radioisotope. The physics of the emission, and the detection of the coincident photons, give PET imaging unique capabilities for both very high sensitivity and accurate estimation of the in vivo concentration of the radiotracer. PET imaging has been widely adopted as an important clinical modality for oncological, cardiovascular, and neurological applications. PET imaging has also become an important tool in preclinical studies, particularly for investigating murine models of disease and other small-animal models. However, there are several challenges to using PET imaging systems. These include the fundamental trade-offs between resolution and noise, the quantitative accuracy of the measurements, and integration with X-ray computed tomography and magnetic resonance imaging. In this article, we review how researchers and industry are addressing these challenges.This work was supported in part by National Institutes of Health grants R01-CA042593, U01-CA148131, R01CA160253, R01CA169072, and R01CA164371; by Human Frontier Science Program grant RGP0004/2013; and by the Innovative Medicines Initiative under grant agreement 115337, which comprises financial contributions from the European Union’s Seventh Framework Program (FP7/2007–2013

Imagen molecular en medicina

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Limitaciones tecnológicas de la tomografía por emisión de positrones (PET) para pequeños animales de laboratorio

La visualización y cuantificación de la función de determinados órganos en animales de laboratorio mediante PET está demostrando ser una herramienta de gran relevancia para la caracterización del fenotipo de animales transgénicos y noqueados, en el estudio de modelos de enfermedades humanas, así como para el descubrimiento y desarrollo de nuevos medicamentos y sondas bioquímicas. Para poder utilizar la PET en animales de laboratorio de un modo análogo al que se aplica en humanos es necesario contemplar el factor de escala en el tamaño del vóxel así como mantener una similar estadística de contaje. En este trabajo se apuntan los problemas que estos requerimientos representan tanto para el diseño técnico de los tomógrafos como para la realización de los experimentos, y desde esta perspectiva se analizan las soluciones tecnológicas más relevantes. Finalmente, se comentan brevemente algunas características de sistemas disponibles hoy comercialmente (microPET y FOCUS, HiDAC, eXplore VISTA, MOSAIC, YAP-(S)PET y rPET)Publicad

Reconstrucción de imagen en tomografía por emisión de positrones

Las imágenes de tomografía de emisión se generan mediante un algoritmo de reconstrucción, a partir de un conjunto de proyecciones adquiridas del objeto o paciente bajo examen. El procedimiento clásico de reconstrucción de imagen es la retroproyección filtrada (FBP). Este método es rápido y sencillo, pero no utiliza información estadística. Es un buen método para aplicaciones en las que el número de cuentas es alto (como tomografía de rayos X o CT), pero es peor cuando hay un bajo número de cuentas, como en imágenes de medicina nuclear. Los métodos iterativos de reconstrucción de imagen se han propuesto como alternativas a FBP. Estas técnicas tienen un coste computacional más alto que FBP pero producen imágenes de mejor contraste y relación señal-ruido. Los métodos iterativos eliminan los artefactos de líneas presentes en las imágenes FBP, reduciendo los falsos positivos y los falsos negativos cuando las lesiones están en la proximidad de órganos calientes. Este artículo presenta una visión de conjunto de los principios de la reconstrucción de imágenes para tomografía por emisión de positrones (PET); se introducen brevemente las bases matemáticas del método FBP para seguidamente presentar los métodos estadísticos de reconstrucción iterativa, principalmente los basados en la estimación de la máxima verosimilitud. También se comenta la técnica de subconjuntos ordenados para acelerar su cómputo, así como el uso de probabilidades a priori bayesianas, lo que permite la incorporación de información a priori (tal como restricciones de suavidad o información topológica parcialmente especificada) y así mejorar la calidad de la imagen. Finalmente se muestran ejemplos con fantomas y con estudios de pacientes para comparar los métodos presentadosIn emission tomography images are obtained from a reconstruction process using a set of measured projections of the object or the patient examined. The classical method for image reconstruction is filtered backprojection (FBP). This method is fast and simple, but it does not use any statistical information about the measurements. It is a good method for applications when the number of measured counts is high (e.g., in X-ray computed tomography, CT) but insufficient when applied for low-count projection data in nuclear molecular imaging. Iterative image reconstruction methods have been proposed as alternatives to FBP. Statistical iterative image reconstruction techniques show higher computational cost than FBP but are shown to produce images of better contrast and signalto- noise ratio. The elimination of streak artifacts present in FBP images with the use of iterative methods minimizes false-positive as well as false-negative results, when lesions are situated in the vicinity of hot organs. This paper presents an overview of the principles of image reconstruction for positron emission tomography (PET) and introduces briefly the mathematical background of the FBP method before entering into details of statistical iterative image reconstruction methods,mainly based on maximum likelihood estimation. A discussion is included about the ordered subsets technique for the acceleration of these methods and the Bayesian prior approach, which allows the incorporation of a priori information (such as smoothness constraints or partial specified topological information) and therefore further improves image quality. Some examples are included from phantom and patient studies to compare some of the methods presentedPublicad

Potential use of the Undersampling Technique in the Acquisition of Nuclear Magnetic Resonance Signals

This communication reviews the use of undersampling techniques to acquire NMR signals. Undersampling transforms bandpass free induction decay (FID) signals, centered at high frequencies, into lowpass signals or bandpass signals centered at much lower frequencies. Consequently, the analog electronic stages that perform the demodulation can be eliminated, gaining in stability and reducing the phase distortion while maintaining an equivalent or better signal to noise ratio when an adequate sampling rate is chosen. The technique has been tested on a BRUKER BIOSPEC BMT 47/40, and the results show that undersampling could be used to process NMR and MRI signals, extending the range of applications of the ‘digital radio’ techniques to NMR and MRI apparatusPublicad

Effects of the super bialkali photocathode on the performance characteristics of a position-sensitive depth-of-interaction PET detector module

Proceeding of: IEEE Nuclear Science Symposium Conference. NNS 2008, Dresden, Germany, Oct. 19-25, 2008Super Bialkali (SBA) and Ultra Bialkali (UBA) photocathodes are new technologies that improve the spectral response characteristics of position sensitive PMTs, boosting their quantum efficiency up to 35% and 43% (typ.) respectively [ref Hamamatsu]. Two SBA tubes were introduced into a production line of PET detectors mixed with the regular ones. The detectors were assembled on the same day and by the same operator using the standard factory protocols for detector mounting, calibration and testing. In this work we are reporting our evaluation of the achieved improvement by comparing the spatial and energy resolutions and the depth of-interaction performance of a PET detector modules with DOI capabilities assembled using the regular and the SBA versions of the same PS-PMT. We conclude that the superior performance of the SBA tube may enable the use of arrays with a larger number of crystals of smaller footprint, thus improving the detector intrinsic spatial resolution without degrading the energy resolution or the phoswich discrimination capabilityThis work was supported in part by the CENIT Programme (Ministerio de Industria), CIBER CB07/09/0031, RETIC-RECAVA (Ministerio de Sanidad y Consumo), and TEC2007-64731/TCM (Ministerio de Educación y Ciencia

A depth-encoding PET detector module with improved spatial sampling

Proceeding of: 1998 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, Toronto, Ont., 08 - 14 Nov. 1998Detector modules in small ring diameter PET scanners must possess depth-of-interaction (DOI) encoding, increased spatial sampling, high sensitivity and the ability to handle high photon input rates without excessive pulse pileup or random coincidences. We created such a module by optically coupling an entrance array of individual LGSO crystals to an exit array of individual GSO (and other) crystals that was, in turn, optically and directly coupled to a miniature PSPMT. DO1 was determined for each event by delayed charge integration (DCI), a technique that exploits differences in light decay time between GSO and LGSO. Spatial sampling in 3D was increased by introducing a half crystal pitch spatial offset between the entrance and exit arrays in both the X and Y directions. Position detection accuracy in both the LGSO and GSO layers, and the accuracy of DO1 assignment of events to either layer was high. These results suggest that this combination of scintillators and acquisition/processing methods may be particularly useful in the design of high performance, small ring diameter PET scanners for small animal imagingPublicad