Fundamentos de PET/CT - fisica.edu.uymedica.fisica.edu.uy/docs/ri/01 - Fundamentos de PETCT.pdf ·...

Fundamentos de PET/CT

Roberto A. Isoardi, PhD

Fundación Escuela de Medicina Nuclear

Mendoza, Argentina

Tipos de imágenes

René Magritte The Treachery of Images 1928

Imágenes de proyección

Imágenes tomográficas

Aneurisma arteria

basilar

Adquisición tomográfica reconstrucción Formar volumen

Procesamiento de imágenes

simple sofisticada

Vista transaxial o axial Vista Coronal Vista sagital

Dos tipos de tomografía

‘Tomo’ + ‘grafía’ = Griego: ‘corte’ + ‘imagen’

PET: Emisión CT: Transmisión

fuente

detector

radiofrecuencias micro-

ondas

TV FM AM

IR UV

Rango óptico

(not to scale)

R-X R-Gamma R-cósmicos

El espectro electromagnético

Transmisión en 10 cm de material (ej. agua)

0.0

1.0

Long de onda larga Alta energía

Región de baja resolución

(long onda larga) Región de alta

resolución

Física de PET y CT

Modalidad Resolución (mm) TX o EM* Modo

R- X 0.1 – 1.0 TX Proyección

Medicina 10 – 20 EM Proyección

Nuclear

CT Rayos-X 0.5 TX Tomográfica

Ultrasonido 0.3 TX (sonido) Tomográfica

MRI 1 EM (RF) Tomográfica

SPECT 10 EM Tomográfica

PET 5 EM Tomográfica

*(TX = transmision, EM = emision)

Modalidades de Imágenes Médicas

Emisión de Positrones

Decaimiento radioactivo

• Decae a una forma estable convirtiendo un proton en un neutron y expulsando un positron para conservar carga

• El positron se aniquila con un electron, produciendo dos fotones anti-colineales

• El sistema de detección es eficiente en un ~1-5% y puede cuantificarse

n p

n p

n

p n p n

p n

p

n p

p

p n

p n

p n

p

n

p n n p

n p

n

p n p n

p n

p

n p

n

p n

p n

p n

p

n

p n

~2 mm

18F 18O

~180º

E = mc2

= 511 keV

+

e-

Centelleo

Fotón de alta

energía 511 keV

Fotones ópticos (~ 1eV)

centellador

(e.g. BGO Denso

pero transparente)

Pulso de

corriente

por cada

fotón UV

detectado

Tubos fotomultiplicadores (PMTs)

ganancia de ~ 106

PET – Bloque detector

Cinta sello-reflectora

Dos PMTs de doble

cátodo

• Los escáneres PET se arman en bloques

• Cada bloque usa un número limitdado de PMTs para decodificar un arreglo de cristales de centelleo

Rayos Gamma

Luz de centelleo

Señal de salida a procesar

Detector PET en anillo

Matriz de bloques: cristales BGO

6 x 8 cristales (axial por transaxial)

Cada cristal:

6.3 mm axial

4.7 mm transaxial

Construcción del escáner

Axial:

4 bloques axialmente = 24 anillos

15.7 cm extension axial

Transaxial:

70 bloques alrededor = 560 cristales

88 cm BGO diámetro de anillo

70 cm apertura paciente

13,440 cristales individuales

Descripción: GE Discovery STE PET/CT

Detección de eventos en coincidencias

Dt < 10 ns?

detector A

detector B

registrar

evento

Campo de visión

+ + e- aniquilación

Reconstruir

imagen de

radiotrazador

Flujo de formación de imágenes PET

Detección

Primaria

Decodifica

ción

Corrección

detectores

Procesamiento

de

coincidencias

Data

Binning

Corrección

de datos

Reconstrucción

de imágenes

Errores en las mediciones

Evento perdido Coincidencia Scatter Coincidencia Randoms

LORs incorrectas

Compton

scatter

no LOR

Efectos de la atenuación: caso clínico

PET: sin corrección PET: con corrección Imagen CT (exacta)

Captación

en piel

aumentada

Captación

mediastinal

reducida

Hígado ‘no

uniforme’

Pulmones

‘calientes’

La calidad de imagen en PET es fuertemente afectada

por errores en la corrección de atenuación

• Las imágenes CT se usan además para la corrección de

atenuación de la imagen de PET

• Registración automática: la visualización puede mostrarse en

forma fusionada o PET y CT lado a lado.

Fisiología de un escáner PET/CT

Adquisición

Rayos-X

Reconstrucción

anatómica (CT)

Adquisición

PET

Imagen

CT

Trasladar energías

de CT a PET (511

keV)

Suavizar a la

resolución de PET

Corrección de

atenuación de los

datos de emisión PET

Reconstrucción

functional (PET) Imagen

PET

Visualiza

ción de

cortes

PET y

TAC

Arquitectura básica PET/CT

PET/CT: escáner comercial

Bloques detectores PET Barrera térmica Sistema CT rotativo

Tubo Rayos X

paciente

camilla

Arreglo detectores

Gantry rotativo con tubo y detectores

Rayos X en abanico

Concepto de escáner CT

CT en operación

64-slice CT, weight ~ 1 ton, speed 0.33 sec (180 rpm)

Tubos para CT • Tubo de ánodo rotativo

(disipa calor para permitir corrientes más altas)

Tubo de R-X actual

Paciente grande

Colector de e(-): reduce radiación fuera de foco

• Menor dosis al paciente

Blanco y pivotes de alta potencia

• Alto mA pico para rotación más rápida

Rotación(

s)

típico

mAs

mA

0.5 200 400

0.4 200 500

0.4 240 600

0.35 200 571

0.35 240 686

kVp mA pf pequeño mA pf grande

80 10-300 305-675

100 10-310 315-770

120 10-335 340-800

140 10-335 340-715

Paciente grande

Qué queremos encontrar?

Imágenes moleculares: metabolismo glucosa

FDG-6-PO4 queda ‘atrapado’ y es un marcador de tasa metabólica*

glucosa

glucosa 6-

fosfato

piruvato lactato

glicólisis (anaerobica, ineficiente)

ATC (oxidativa, eficiente)

HOCH2

H 18

F

H

OH H HO

H

OH

H

Flúor

radioactivo

O

[18F]fluorodeoxiglucosa (FDG)

Lo que

vemos

FDG

FDG 6-

fosfato

X

Captación FDG (PET) & localización

anatómica(CT)

Función Funcion+Anatomía y

corrección de atenuación

basada en CT

Anatomía

Exactitud diagnóstica de PET/CT

supera a CT o PET por separado

Weber et al. Nature Reviews Clinical Oncology 2008

PET con 18F-FDG se usa para imágenes

oncológicas

• Actualmente ~ 92% de todos los estudios PET/CT se usan para diagnóstico y estadificación del cáncer

Todo lo

demás

Diagnóstico

de cáncer y

estadificación

• Neuro

• Cardio

• Planificación

de terapia

• Desarrollo de

terapia

Castell and Cook, British J Cancer 2008

Pre

terapia

1 semana

terapia

imatinib

CT PET/CT

PET SUV

5 a 1.8

Respuesta a terapia de metástasis hepáticas

GIST No hay cambio morfológico en la metástasis

Cuáles son las ventajas de PET/CT?

Cuantificación

RM CT

PET US

Qué representan los valores de imagen?

Lineal con la posición y concentración del trazador

Cuantificación

RM CT

PET CT

Qué representan los valores de imagen?

Lineal con la posición Lineal con la posición y concentración del trazador

Mejoras / Artefactos

• Fantoma de calidad de imagen NEMA NU-2 (30 cm x 23 cm sección transversal)

• Diámetros de esferas:1.0, 1.3, 1.7, 2.2, 2.8, 3.7 cm

• 4:1 relación lesion/fondo con dosis típicas clínicas

• RC = medido / verdadero

Efectos de la resolución

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 1 2 3 4

RC

Diámetro(cm)

Coeficiente de Recuperación (RC) con 2D FBP

Mean RC for ROI

Max RC for ROI

Esfera 2 cm

Esfera 5 cm

33 cm

perfil

Efectos de la resolución

Reconstrucción de imagen: Modelado del „borroneo‟ del detector

Scattering inter-cristal Error de paralaje

LOR verdadera

Profundidad de interacción

variable Línea de respuesta asignada

(LOR)

“Point Spread Function (PSF)” del detector: • Radialmente variable

• Asimétrica en la dirección transaxial • Simétrica alrededor del centro del FOV

Espesor del

cristal

Evento verdadero

Evento asignado en el cristal debido al scattering

centelleo (scatter Compton)

Colección de luz

fotón de aniquilación

Resolución espacial variable

OSEM estándar

OSEM con modelado de „borroneo‟ del

detector

Modelado físico de detectores

• En principio es posible eliminar el borroneo de

detector

Desplazamiento del paciente

• Gran cambio en atenuación desde la espina al pulmón

?

Artefactos de respiración: Propagación de

errors por corrección de atenuación

Los artefactos de atenuación pueden influir en errores en los valores medidos de captación de PET (SUV)

Suavizado de imagen: Ruido vs.

Resolución

• Relación de compromiso entre ruido y resolución

• La elección del filtro óptimo depende de la aplicación clínica

• No hay estándares para la elección del suavizado

Efectos del suavizado

10 mm 4 mm 7 mm

RC para esferas de 1 cm

0.85

0.92

0.52

0.80

0.40

0.72

Fantoma tórax SNM: RC real es 1.0

Calidad de imagen

Medidas tradicionales: Resolución

• Point-spread function (PSF): Mejor cuanto más estrecha

• Modulation transfer function (MTF), valor absoluto de la

transformada de Fourier de PSF: Cuanto más ancho

mejor

• FWHM, Full width half maximum

• FWTM, Full width tenth maximum

Entrada Salida del escáner

Proceso de imágenes PSF

FWHM

Medidas tradicionales: Ruido

• Sensibilidad: respuesta a muy bajos niveles de

actividad

• Más cuentas -> menor ruido -> Mejor SNR

• Espectro de potencias de ruido

Cómo se comparan las imágenes?

• Definir tarea

– detección

– Localización

– estimación (cuantificación)

– Discriminación de forma

– Combinaciones de lo anterior, etc.

• medir (cuantificar) la performance de una tarea

• Casi siempre tareas tediosas y difíciles de realizar

adecuadamente

• En algunos casos se pueden usar modelos computacionales de

performance humana – llamados ‘modelos’ u observadores

‘computacionales’ – que se basan en el sistema perceptual

humano.

Sin ruido

lesion:fondo

1 : 1.2 : 1.5 : 2

100 kcuentas

10 kcs 2 kcs

Detectabilidad: está allí?

Resolución reducida

Sin ruido 100 kcs

10 kcs 2 kcs

Ruido correlacionado:

reconstrucción

Correlacionado

No

correlacionado

1M Cuentas 0.1M Cuentas

Sin ruido (reconstruído)

Objeto verdadero

Simulación de abdomen humano con 2cm diámetro, lesión 2:1 contraste

Efectos en la resolución de Suavizado vs. Ruido

más cuentas (menos ruido)

Menos suavizado (más ruido)

Material cortesía de Paul Kinahan, PhD Imaging Research Laboratory

University of Washington, Seattle, USA

Laguna del Diamante, Mendoza