Monte Carlo simuliertes Modell eines präklinischen PET Einsatzes und dessen experimentelle Validierung basierend auf NEMA Performance Tests

Abstract

Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersPET/MR ist ein bildgebendes Verfahren, bei dem die Verteilung eines zuvor injizierten radioaktiven Tracers in Menschen oder Tieren untersucht wird. Diese Methode wird zum Beispiel zur Diagnose von Krebs oder neurologischen Erkrankungen eingesetzt. Bevor neu entwickelte Verfahren oder Tracer im klinischen Umfeld angewendet werden können, ist umfangreiche Forschungsarbeit notwendig. Diese kann an präklinischen Scannern, die eigens für die Bildgebung kleiner Säugetiere wie Mäusen oder Ratten entwickelt wurden, oder durch die Verwendung von Monte Carlo Simulationen, mit Hilfe derer der Bildgebungsprozess reproduziert werden kann, durchgeführt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde ein präklinisches PET/MR System, das Modell ”Si 198”, hergestellt von der ”Bruker BioSpin GmbH”, welches auf der Medizinischen Universität Wien verfügbar ist, experimentell charakterisiert. Dabei wurde einem standardisierten Performance Messprotokoll gefolgt. Danach wurde das System in der MC Simulationsumgebung GATE modelliert. Anschließend wurde die Leistung des MC Modells mit jener seines tatsächlich existierenden Gegenstücks verglichen.Konkret wurde die Performance des Systems mit Hilfe des standardisierten Messprotokolls ”NEMA NU4-2008” bestimmt. In diesem Prozess wurde der Scanner hinsichtlich seiner Empfindlichkeit gegenüber Radioaktivität, seines Zählratenverhaltens, seiner Ortsauflösung und der resultierenden Bildqualität untersucht. Für die Empfindlichkeitsmessungen wurde eine 22 Na Punktquelle entlang der Scannerachse durch den Sichtbereich bewegt und die Zählrate in Verhältnis zur Aktivität gebracht. Um das Zählratenverhalten zu beurteilen, wurden zwei 18 F Linienquellen in Polyethylen Zylindern mit unterschiedlichen Dimensionen gemessen und die erfassten Counts in Streu-, Zufalls- und ”echte” Counts klassifiziert. Die Messungen zur Beurteilung der Ortsauflösung wurden mit der selben Punktquelle durchgeführt, wie die Empfindlichkeitsmessungen, wobei die Quelle hierfür transaxial durch den Scanner bewegt wurde. Die Bildqualität wurde mit einem komplexen Zylinder-System aus Plexiglas, welches mit einer 18 F Lösung gefüllt wurde, gemessen.Das Hauptaugenmerk der vorliegenden Arbeit sollte jedoch die Erstellung und Validierung eines Modells ebenjenes Scanners mit der Monte Carlo-Simulationssoftware GATE sein. Darauffolgend wurden alle zuvor beschriebenen Messungen simuliert und deren Ergebnisse wurden mit jenen der tatsächlich durchgeführten Messungen verglichen.Die Performance Parameter, die für das präklinische System gemessen wurden, stimmten mit veröffentlichten Werten ähnlicher Systeme überein. Die Parameter, die für das MC Modelle gemessen wurden, waren nur teilweise mit den gemessenen Resultaten kongruent. Zum Beispiel wurden die Zählraten Parameter, die für das MC Modell bestimmt wurden, stark von den Parameter Einstellungen im MC Code beeinflusst. Die tatsächlichen Messungen konnten teilweise reproduziert werden, es konnte jedoch keine allgemein anwendbare Parameterkonfiguration gefunden werden, so dass das Modell den untersuchten Scanner bei jeder Messung realistisch imitierte.Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Leistungsparameter des Bruker PET Inserts experimentell bestimmt werden konnten. Ein MC Modell des Systems wurde erfolgreich kreiert. Nichtsdestotrotz wäre für eine allgemeine Anwendung des MC Modells eine Optimierung des Parameter Sets notwendig. Diese Optimierung scheint allerdings nur mit dem Zugang zu spezifischer Scanner Information des Anbieters umsetzbar.Positron Emission Tomography combined with Magnetic Resonance (PET/MR) is a medical imaging method, used to investigate the distribution of a previously administered radioactive tracer in humans or animals. Among others, it can be used for diagnosis of cancer and neurological disorders. Before newly developed methods or tracers can be used in clinical routines, extensive research is necessary. This can be done using preclinical scanners, specifically designed for imaging small animals such as mice or rats, or using Monte Carlo simulations to reproduce the imaging process. However, Monte Carlo (MC) models for available scanners need to be established and compared to the real systems.In this work, a preclinical PET/MR system, the model ”Si 198”, manufactured by the ”Bruker BioSpin GmbH”, available at the Medical University of Vienna, was experimentally characterized following standardized performance measurements. Subsequently, the system was modeled in the MC simulation environment GATE. Then, the performance of the MC model was compared to its real counterpart.Specifically, the performance of the system was determined following the standardized measurement protocol ”NEMA NU4-2008”. In this process, the scanner was assessed regarding its sensitivity to radioactivity, its count rate behavior, its spatial resolution and the resulting image quality. For sensitivity measurements, a 22-Na point source was stepped through the field of view along the scanner axis and the count rate was brought in relation to source-activity. To evaluate the count rate behavior, two 18 F line sources in polyethylene - cylinders with different dimensions were measured and the acquired counts were classified in scattered, random and true counts. The measurements for spatial resolution evaluation were performed with the same point source as sensitivity measurements, whereas for spatial resolution, the source was stepped transaxially through the field of view. The image quality was assessed using a complex cylinder system made from PMMA, which was filled with an aqueous solution of 18-F.The main focus of this thesis was, however, the creation and validation of a copy of the scanner, generated with the Monte Carlo simulation software GATE. Subsequently, all measurements described before were also simulated and the results were compared to the actual measurements.Performance parameters measured for the preclinical system were in accordance with published parameters of similar systems. However, parameters calculated for the MC model were only partly in agreement with the measured data. For example, the count rate performance parameters found in the MC model were strongly affected by the parameter settings in the MC code. Real measurements could partially be reproduced, however, no generally applicable parameter configuration could be found so that the model realistically mimics the observed scanner.In summary, the performance parameters of the Bruker PET insert could be experimentally assessed. It was possible to establish an MC model of the system. Nevertheless, for a general applicability of the MC model, an optimization of the parameter set would be required. However, this optimization seems only feasible with the availability of specific information about the system electronics from the vendor.7