Estrategias de corrección por profundidad de interacción en escáneres PET preclínico de alta sensibilidad Pablo Galve Lahoz José Manuel Udías Moinelo Joaquín López Herraiz Afiliación abajo (añadir CEI Moncloa) Grupo de Física Nuclear Universidad Complutense de Madrid CEI Moncloa [http://miil.stanford.edu/research/tofdetector.html] [http://radiologykey.com/positron-emission-tomography/]

PET 18O(p,n)18F p+ LOR 18F 18O n Glucosa FDG El procedimiento podemos empezarlo en la generación del isótopo, siendo la forma más común de producción de isótopos PET el ciclotrón. Los isótopos empleados en PET por lo general tienen vida media corta. La imagen q se observa en este caso en particular es de captación de glucosa por los distintos órganos porque la FDG se queda dentro de las células (no continúa el ciclo de Krebs como la glucosa). De esta manera es posible con PET el diagnóstico de cáncer, en estadíos previos a la transformación anatómica, ya que las células cancerígenas metabolizan la glcuosa más rápido que las sanas. Glucosa FDG 2

Problemas por DOI Paralaje Resolución Δρ ρt 28/11/2016

Corregir los efectos del DOI Objetivo ? Corregir los efectos del DOI ? ? En eta diapositiva, incluir otro esquema de phoswich y venderlo como solución al DOI Esta diapositiva iría con los problemas del DOI, detrás de la intro. Cambiar el esquema, introducimos PET, introducimos problema de DOI: resolución y posicionamiento. Después comentar solución por phoswich, beneficios e incoveniente en el precio. Añadir imagen de derenzo (con más estadística) con y sin phoswich para comparar (quizás sólo fronts, ambos sin phoswich, y luego el phoswich). Por este motivo intentamos recurrir a una mejora de software! Y entramos en nuestros métodos. Explico los escáneres (el superargus es un escáner para PET preclínico de ratas y ratones desarrollado por la empresa Sedecal en colaboración con el GFN) y PENELOPET (desarrollado por GFN). ¿Cristales más cortos? Resolución ↑ Sensibilidad ↓ 28/11/2016

Diferenciación electrónica de los pulsos Objetivo Escáneres phoswich LYSO GSO Diferenciación electrónica de los pulsos En eta diapositiva, incluir otro esquema de phoswich y venderlo como solución al DOI Esta diapositiva iría con los problemas del DOI, detrás de la intro. Cambiar el esquema, introducimos PET, introducimos problema de DOI: resolución y posicionamiento. Después comentar solución por phoswich, beneficios e incoveniente en el precio. Añadir imagen de derenzo (con más estadística) con y sin phoswich para comparar (quizás sólo fronts, ambos sin phoswich, y luego el phoswich). Por este motivo intentamos recurrir a una mejora de software! Y entramos en nuestros métodos. Explico los escáneres (el superargus es un escáner para PET preclínico de ratas y ratones desarrollado por la empresa Sedecal en colaboración con el GFN) y PENELOPET (desarrollado por GFN). Resolución ↑ Sensibilidad ↑ Coste ↑ 28/11/2016

Objetivo Derenzo simulado en escáner objeto Con phoswich Sin phoswich [http://www.spect.com/Web-Album/photos/photo_16.html] Objetivo Derenzo simulado en escáner objeto Diámetro de los capilares = 0.4 cm Con phoswich Sin phoswich Más estadística!! Cambiar el color… Los perfiles son muuuuy feos Añadir número de cuentas en unos y otros!!! Solo frontal (LYSO) Sensibilidad: ≈40% 28/11/2016

Escáneres ficticios (sin phoswich) Escáner Super-Argus Ventana de energía (400-600 keV) 4 anillos 24 detectores 17 cm de diámetro 10cm de largo 13x13 cristales phoswich LYSO-GSO Profundidad de cristal de 15mm (7+8) Escáneres ficticios (sin phoswich) LYSO-1.3cm LYSO-2cm [http://www.sedecal.com/sedecal.com/en/divisiones/division_prod.php?p=52&c=5&i=2] 28/11/2016

Simulador PeneloPET -Definición en ficheros de entrada de: ·Fuentes ·Escáner ·Otros objetos (blindajes,etc.) ·Características generales Simulador PET basado en PENELOPE. Transporte de electrones, positrones y fotones. Fácil implementación de escáneres y distintos materiales. Fuentes de distintas geometrías y radiofármacos. Añadir link a la web!! -Ficheros de salida: ·Interacciones radiación-materia ·Histograma de LORs [PeneloPET] S. España, J.L. Herraiz, E. Vicente, J.J. Vaquero, M. Desco, J.M. Udias. Phys. Med. Biol., 54 1723-1742, (2009) [http://nuclear.fis.ucm.es/penelopet/] 28/11/2016

Método 1 – Posición del punto de interacción Correcciones por DOI Método 1 – Posición del punto de interacción -Punto más probable de interacción en el cristal: Obtención de P(x) por medio de PeneloPET Super Argus LYSO 1.3 cm Quitar la fórmula??? 28/11/2016 LYSO GSO LYSO

Método 2 - Corrección lineal Correcciones por DOI Método 2 - Corrección lineal Se busca relación entre LORs medidos y los reales: Por sencillez: Super Argus LYSO 1,3 cm LYSO 2 cm R Δm=m-1≈0 c<1mm 28/11/2016

Corrección DOI con inclinaciones Resultados Valores de Δm (x10-4) Escáner Sin corrección Corrección DOI con inclinaciones Corrección lineal Super Argus (-8±4) (-29±5) (0±6) LYSO 1,3 cm (-102±9) (-80±6) (-7±10) 2 cm (-321±16) (-66 ±12) (3±18) LYSO-1.3cm LYSO-2cm Super Argus 28/11/2016

Diámetro de los capilares = 0.4 cm [http://www.spect.com/Web-Album/photos/photo_16.html] Resultados Derenzo simulado en escáner Super-Argus Diámetro de los capilares = 0.4 cm Con phoswich Sin phoswich Más estadística!! Cambiar el color… Los perfiles son muuuuy feos Corrección lineal sin phoswich 28/11/2016

Derenzo real en escáner Super-Argus Resultados Derenzo real en escáner Super-Argus Con phoswich Sin phoswich Corrección lineal sin phoswich Hacer suma de varias slices, y buscar mejores perfiles, añadir diámetro de tubos 28/11/2016

Conclusiones Los escáneres sin phoswich obtienen mayor error en paralaje por efectos de DOI. Este efecto aumenta gradualmente con el radio de la imagen. Se han implementado dos métodos para corregir estos defectos: Corrección del punto de interacción. Corrección lineal del radio del LOR. La corrección lineal es más sencilla y muestra mejores resultados, recuperando las posiciones de un escáner con phoswich. El uso de un simulador sencillo y de calidad como PeneloPET puede ser de gran utilidad para corregir estos defectos. 28/11/2016 [http://www.massgeneral.org/imaging/news/radrounds/may_2007/]

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Tipos de coincidencias Extras ¿Qué es el PET? Tipos de coincidencias [P.E. Val et al. Emission Tomography: clinical practice, Springer, 2006] 28/11/2016

Del histograma de LORs al sinograma Extras Del histograma de LORs al sinograma Sinograma Histograma de LORs Transfomada de Radon Eliminar esta diapo 28/11/2016 [http://file.scirp.org/Html/13-9101545_27659.htm]

Extras Detectores Cristales centelleadores Tubos fotomultiplicadores LYSO GSO Z efectivo 60 59 μ (cm-1) 0,86 0,62 ε (%NaI:Tl) 80 41 τ (ns) 56 Electrónica Análisis de coincidencias Localización geométrica del pulso 28/11/2016

Extras Métodos de reconstrucción de la imagen Métodos analíticos Métodos iterativos Incluyen características reales del escáner Basados en modelos estadísticos Mejores resultados Transformada inversa de Radon Datos (sinograma) Matriz de respuesta Datos estimados Correcciones Imagen 28/11/2016

Extras Métodos iterativos Máxima verosimilitud Ruido de Poisson No negativos Método EM-ML Método OSEM EM-ML acelerado OSEM desarrollado en el GFN FIRST FIRST acelerado mediante unidades GPU GFIRST 28/11/2016

Del histograma de LORs al sinograma Extras Del histograma de LORs al sinograma 28/11/2016

Extras Δρ ρt Sin phoswich Con phoswich Super Argus LYSO 1,3 cm LYSO 28/11/2016

Extras (Análisis de interacciones γ-escáner) Corrección 1 - Distribución de interacciones en profundidad en Super-Argus 100-600 keV 400-600 keV LYSO GSO LYSO GSO 28/11/2016

Extras (Análisis de interacciones γ-escáner) Corrección 1 - Distribución de interacciones en profundidad en LYSO-1,3 cm 100-600 keV 400-600 keV LYSO LYSO 28/11/2016

Extras (Resultados) Método de medida Δm=m-1≈0 c<1mm 28/11/2016

Correcciones sobre fuentes puntuales en escáner LYSO-2 cm Extras (Resultados) Correcciones sobre fuentes puntuales en escáner LYSO-2 cm 28/11/2016