Sistemas tomográficos multimodalidad para animales de laboratorio
Directores: Juan José Vaquero López/Manuel Desco Menendez
Esta Tesis Doctoral explora alternativas tecnológicas para la implementación de sistemas PET y SPECT para roedores así como la integración de los mismos con sistemas tomográficos de rayos X. Específicamente, se aborda el problema de optimizar el rendimiento de los escáneres basados en anillos parciales de detectores debido a que además de ser una solución menos costosa que los equipos basados en anillos completos, permiten la integración de un sistema de imagen anatómica de forma coplanar. Los sistemas de imagen funcional propuestos se basan en bloques detectores de elevada resolución intrínseca y área activa reducida, cuyo diseño les permite funcionar con mínimos cambios en PET y SPECT. Para la detección y digitalización de los datos de los detectores se ha desarrollado una nueva técnica denominada WMLET (Width Modulated Leading Edge Timing) y se ha implementado una arquitectura de adquisición de datos sobre dispositivos de lógica programable basada en la misma. El rendimiento y las posibilidades de esta aproximación se han evaluado mediante la construcción de un prototipo de sistema de adquisición de datos para PET y/o SPECT y la realización de pruebas exhaustivas del mismo utilizando diferentes tipos de detectores. Para evaluar la aplicabilidad de la combinación tecnológica propuesta a la construcción de equipos de imagen tomográfica se han implementado sistemas PET y SPECT para roedores cuyo diseño permite incluir un sistema CT de rayos X coplanar al sistema de imagen funcional. El rendimiento del sistema PET se ha medido utilizando el estándar NEMA NU-4 recientemente aprobado para la evaluación del rendimiento de tomógrafos PET de animales de laboratorio. Para caracterizar el sistema SPECT, al no existir un protocolo estándar para pequeño animal se ha seguido un protocolo similar al utilizado para sistemas de humanos y se han realizado estudios in vivo con roedores y con maniquíes. Para validar la aproximación multimodalidad basada en sistemas coplanares se ha integrado un sistema tomográfico de rayos X con el sistema PET, se ha medido la precisión del alineamiento inter-modalidad y se han realizado estudios multimodalidad con maniquíes y con roedores (in vivo). En relación al sistema CT se incluyen las aportaciones realizadas al diseño e implementación del mismo. Para finalizar, se compara el rendimiento y el potencial de las aproximaciones de diseño propuestas con otras desarrolladas por diversos grupos de investigación (algunas utilizadas en sistemas comerciales) demostrando su viabilidad para la implementación de sistemas de pequeño animal. Abstract This PhD Thesis explores technological alternatives for the implementation of small-animal PET and SPECT systems as well as the possibilities for integrating them with X-ray tomographic systems. Specifically, this work focuses on the problem of optimizing the performance of scanners based on partial rings of detectors, because this approach is a more inexpensive solution than complete rings based systems, and also allows the integration of an anatomical imaging system in a coplanar configuration. The functional imaging systems proposed are based on high-resolution and small-area detectors, whose design allows them to work with minimal changes in PET and SPECT modalities. For the detection and digitization of the data from the detectors a new technique called WMLET (Leading Edge Timing Width Modulated) has been developed and a data acquisition architecture based on it has been implemented using programmable logic devices. The performance and potential of the proposed approach have been evaluated through the construction of a prototype data acquisition system for PET or SPECT and thorough testing of its performance using different types of detector. To evaluate the applicability of the proposed technology to small-animal scanners, PET and SPECT tomographic imaging systems have been implemented. The design of these systems allows the inclusion of an X-ray CT system coplanar to them. PET system performance was measured using the NEMA NU-4 2008 standard recently adopted for assessing the performance of small-animal PET scanners. To evaluate the performance of the SPECT system, and due to the absence of a standard protocol for small animals, it has been followed a similar protocol to that used for human systems and in vivo studies have been conducted with rodents and phantoms. To validate the multimodality approach based on coplanar systems, an X-ray tomographic system has been integrated with the PET tomograph. Inter-modality alignment precision has been measured and multimodality studies have been conducted with phantoms and rodents (in vivo). In relation to the CT system, this work includes some contributions of the author to the design and implementation. Finally, we compare the performance and potential of the proposed design approaches, with those developed by other research groups (some used in commercial systems) to demonstrate its feasibility for the implementation of small-animal imaging systems.
Contribuciones a la reconstrucción de imágen en sistemas multimodalidad de alta resolución para aplicaciones preclínicas
Directores: Juan José Vaquero López/Manuel Desco Menendez.
Contribuciones a la reconstrucción de imágen en sistemas multimodalidad de alta resolución para aplicaciones preclínicas
Directores: Juan José Vaquero López/Manuel Desco Menendez.
El creciente número de modelos animales de enfermedades humanas utilizadas en la investigación traslacional, hace de la imagen de pequeños animales una herramienta esencial para evaluar las funciones biológicas, permitiendo nuevos tipos de estudios tales como el control de la expresión génica en ratones modificados genéticamente o el control de la respuesta del tumor a la terapia. Los últimos avances en instrumentación para imagen médica han permitido el diseño y desarrollo de sistemas de imagen molecular especialmente dedicados a la obtención de imágenes de alta calidad de pequeños animales de laboratorio, imposibles de conseguir con la instrumentación estándar diseñada para humanos. Además de los requisitos de mayor resolución, el uso de nuevas geometrías también puede dificultar la aplicación directa de algoritmos inicialmente desarrollados para sistemas clínicos. Esto plantea la necesidad de búsqueda de nuevos métodos más adecuados para los sistemas de pequeños animales. Esta tesis se ha realizado en el Laboratorio de Imagen Médica de la Unidad de Medicina y Cirugía Experimental, Hospital General Universitario Gregorio Marañón (UMCE), Madrid, como parte del programa de investigación en imágenes preclínicas cuyos objetivos son diseñar, desarrollar y evaluar nuevos sistemas de adquisición de datos, procesamiento y reconstrucción de imágenes multimodales para aplicaciones en investigación biomédica. En este contexto, esta tesis presenta contribuciones originales en relación con la tarea de reconstrucción de imagen y el estudio de las fuentes de error que limitan la calidad de las imágenes obtenidas con los sistemas multimodalidad (PET-CT), principalmente escáneres de alta resolución para la investigación con pequeños animales. El trabajo se divide en dos áreas principales: tomografía por emisión y tomografía de transmisión. En tomografía de emisión se presentan tres contribuciones principales: (1) Un estudio cuantitativo sobre los efectos sobre la calidad de la imagen de pequeños desalineamientos mecánicos en sistemas PET de detectores planos con cabezas rotatorias. A partir de la caracterización del problema, se ha propuesto un protocolo sencillo para la caracterización geométrica del sistema que genera un archivo de desalinemientos. Este archivo puede ser utilizado por el generador de sinogramas durante la etapa de reconstrucción para corregir la posición de las líneas de respuesta. (2) Un nuevo esquema de filtrado, que hace uso de las propiedades de la transformada de Fourier del sinograma. Se ha comparado el funcionamiento de dicho esquema de filtrado con el de otros métodos previos: filtrado radial estándar, filtrado angular, y filtrado en el dominio Stackgram. El esquema de filtrado propuesto produjo resultados óptimos en resolución y contraste al compararlo con cualquiera de los otros filtros aplicado sólo. (3) Una evaluación de la idoneidad de un método de escalado tri-lineal de las imágenes del CT para la corrección de atenuación de las imágenes de PET en áreas de hueso. A partir de experimentos utilizando simulaciones, maniquíes y datos clínicos, se han evaluado de manera explícita los mecanismos que introducen errores en los valores estimados de captación del trazador en hueso cuando se utiliza la corrección de atenuación basada en CT. Los resultados mostraron una subestimación de los factores de corrección de atenuación derivada de CT que dio lugar a sesgos en los SUV de una magnitud por debajo de la repetibilidad de las propias medidas de SUV. En tomo grafía de transmisión se presentan tres contribuciones principales: (1) Un nuevo algoritmo para la reducción del artefacto de anillo en sistemas CT para pequeños animales basados en geometría de haz de rayos cónico y trayectoria circular. El método, que funciona en el dominio de la proyección, se ha aplicado y evaluado en un escáner real, con resultados satisfactorios en estudios de roedores y maniquíes cilindricos. (2) Un nuevo algoritmo de reconstrucción estadística para CT basado en la estadística de Poisson y un modelo físico que tiene en cuenta no linealidad de las medidas debido a la dependencia de la atenuación con la energía. A diferencia de los métodos propuestos anteriormente, el algoritmo elimina la necesidad de una pre-segmentación y no requiere conocimiento previo del espectro de rayos X. Los resultados de una simulación de datos de humano (maniquí NCAT) muestran una reducción del endurecimiento del haz similar a la obtenida con técnicas convencionales, con la ventaja de proporcionar una relación señal a ruido mucho mayor. (3) La investigación de métodos analíticos de reconstrucción para sistema CT para de alta resolución ha dado lugar a la propuesta de una nueva arquitectura completa para reconstrucción de alta calidad de los datos adquiridos en sistemas basados en geometría de haz de rayos cónico y trayectoria circular. La definición abarca todos los pasos desde la corrección de los desajustes de los mecánicos del escáner, el endurecimiento del haz, y los artefactos de anillo, hasta el cálculo de las unidades Hounsfield, incluyendo una implementación eficiente de un nuevo algoritmo de reconstrucción basado en FDK que explota las simetrías del sistema y permite la reconstrucción en paralelo de diferentes partes del volumen en un PC con multiprocesador. Parte de los resultados presentados en esta tesis se ha incorporado en sistemas preclínicos de alta resolución fabricados por la compañía SEDECAL y comercializados en todo el mundo por General Electric Healthcare en virtud de acuerdos de transferencia de tecnología con la UMCE.
