Βελτιστοποίηση της λειτουργίας συστημάτων τομογραφίας εκπομπής ποζιτρονίων (PET)

Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής πραγματοποιήθηκε μοντελοποίηση κλινικών συστημάτων PET/CT (υβριδικά συστήματα Τομογραφίας Εκπομπής Ποζιτρονίων και Αξονικής Τομογραφίας) με την χρήση κατάλληλου λογισμικού, με σκοπό την χρησιμοποίηση των μοντέλων για την βελτιστοποίηση της λειτουργίας τους. Η βελτιστοποίηση αυτή δεν επικεντρώθηκε μόνο στον καθορισμό των τεχνικών παραμέτρων λήψης του ανιχνευτή και της γεωμετρίας του συστήματος PET, αλλά επεκτάθηκε και σε κλινικό επίπεδο. Αυτός μάλιστα είναι και ο απώτερος σκοπός της διατριβής. Ο καθορισμός δηλαδή των βελτιστοποιήσεων αυτών οι οποίες στοχεύουν στην αντίστοιχη ακρίβεια ή την επαναληψιμότητα των ποσοτικών αποτελεσμάτων της λειτουργικής απεικόνισης όγκων που προσλαμβάνουν ραδιοφάρμακο. Η ανατομία η οποία επιλέχθηκε είναι ο θώρακας και ο τύπος αλλόιωσης είναι ο Μονήρης Πνευμονικός Όζος (ΜΠΟ). Η επιλογή βασίστηκε σε διάφορα χαρακτηριστικά και ιδιότητες όπως η μικρή του διάσταση, καθώς και το γεγονός ότι η σχετική θέση του στον θώρακα μπορεί να σχετίζεται με την πρόγνωση του. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι η κάμερα PET απαιτείται να λειτουργεί με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε τα ποσοτικά ή τα ημι-ποσοτικά αποτελέσματα που παράγει να είναι επαναλήψιμα. Το πρώτο κομμάτι στο ειδικό μέρος της διατριβής επικεντρώνεται στην δημιουργία του μοντέλου της προσομοίωσης και στην παράθεση των αντίστοιχων αποτελεσμάτων με έμφαση στα πιθανά σχήματα βελτιστοποίησης. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι προσομοιώσεις Monte Carlo μπορούν να προβλέψουν με ακρίβεια τους ρυθμούς μέτρησης των ανιχνευτών ΡΕΤ, ξεκινώντας από την εκπομπή γ έως την τελική καταμέτρηση και αποθήκευση των συμπτώσεων ανά LOR στα πρωτογενή δεδομένα του ημιτονογράμματος. Με μέγιστη σχετική απόκλιση κάτω από 2% επιβεβαιώνεται η ακρίβεια του μοντέλου ώστε να χρησιμοποιηθεί για τις περαιτέρω κλινικές αναλύσεις. Σε αυτή την βάση, στο δεύτερο μέρος της διατριβής χρησιμοποιήθηκαν νέες πειραματικά επικυρωμένες προσομοιώσεις. Η απόδοση των μετρήσεων τεσσάρων διαφορετικών μοντέλων σαρωτή με την χρήση πραγματικών κλινικών δεδομένων εικόνας με εύρημα ΜΠΟ αναπαρίστανται με τη χρήση της παραμέτρου NECR (Noise Equivalent Count Rate). Μελετάται η απόκριση της παραμέτρου αυτής συναρτήσει της μεταβολής της ενεργότητας του όγκου, της σχετικής ακτινικής θέσης του στον θώρακα καθώς και του βαθμού παχυσαρκίας των ασθενών. Παρατηρείται σημαντική διακύμανση των ποσοτικών αποτελεσμάτων μέτρησης της κάμερας ΡΕΤ όταν ο ίδιος ασθενής σαρώνεται σε διαφορετικές διαμορφώσεις ανιχνευτών διαφορετικών μοντέλων κλινικών συστημάτων ή ακόμα και στην περίπτωση των ίδιων σαρωτών πού όμως οι λήψεις πραγματοποιούνται μεταξύ διαφορετικών χρονικών σημείων αν το σωματικό βάρος του ασθενή μεταβληθεί σημαντικά. Μη βέλτιστη τοποθέτηση του ασθενούς εκτός του ισοκέντρου απεικόνισης απαντάται συχνά στους περισσότερους τρόπους απεικόνισης και μπορεί εν δυνάμει να προσθέσει περαιτέρω μεταβλητότητα και αβεβαιότητα στα αποτελέσματα. Στο πλαίσιο του ποσοτικού ΡΕΤ, η διόρθωση αυτών των επιπτώσεων μέσω μιας εν δυνάμει προοπτικής κανονικοποίησης χρησιμοποιώντας κατάλληλες προσομοιώσεις θα μπορούσε να αποδειχθεί επωφελής στην καθημερινή κλινική πράξη.Τα αποτελέσματα της διατριβής αυτής παρέχουν την απόδειξη της προσέγγισης για την δυνατότητα κατάλληλων προσομοιώσεων που μπορούν να εισαχθούν στην καθημερινή κλινική πράξη και να παρέχουν πρόσθετη πληροφορία σχετικά με τη μεταβλητότητα απόκρισης της μέτρησης των καμερών PET, ειδικά σε τύπους αλλοιώσεων όπου συχνά λαμβάνονται οριακές αποφάσεις από τον διαγνώστη σχετικά με τον χαρακτηρισμό τους. Ως μελλοντική εργασία προτείνεται η χρησιμοποίηση της περιγραφόμενης μεθόδου στα πλαίσια εκτεταμένης κλινικής μελέτης (π.χ στο επίπεδο χώρας).

Overview of PeneloPET: A PET-Dedicated Monte Carlo Simulation Toolkit

PeneloPET is a PET-dedicated Monte Carlo simulation toolkit, which is based on PENELOPE. This article describes the characteristics and the general process of PeneloPET simulation. Then we compare the simulation results of PeneloPET and GATE to model the GE Healthcare eXplore Vista microPET system respectively, including sensitivity and noise equivalent count rate. The results show that PeneloPET simulation data corresponds with the data from real scanners and GATE simulation, and proves PeneloPET is an accurate toolkit for PET simulation.