Instrumentacao em imagiologia medica - PET...

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detector detector PET Positron Emission Tomography O que se pretende detectar em PET? 2 fotões de 511 keV em coincidência, provenientes de uma mesma aniquilação, que não tenham sofrido mudança de direcção e - e + γ γ γ γ γ γ Núcleo instável emite positrão que se aniquila com um electrão dois fotões de 511 keV são emitidos simultaneamente em sentidos opostos coincidência verdadeira

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detector

detector

PETPositron Emission Tomography

� O que se pretende detectar em PET?– 2 fotões de 511 keV em coincidência,

provenientes de uma mesma aniquilação, que não tenham sofrido mudança de direcção

e-

e+

γγγγ

γγγγ

Núcleo instável emite positrão que se aniquila com um electrão

dois fotões de 511keV são emitidos simultaneamente

em sentidos opostos

coincidência verdadeira

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Detecção de radiação em PET� Câmara PET

– Configuration típica: � Corpo-inteiro (diâmetro túnel paciente ∅~60 cm;

campo de visão axial~15 cm)� Cristais cintiladores acoplados a fotomultiplicadores (PMTs)� Geometria cilíndrica� ~24-32 anéis de cristais de detecção

� Centenas de cristais por anel� Muitos milhões de LORs

(apenas uma pequena parte é mostrada na figura)

True True

Outras configurações para aplicações específicas:

- cérebro

- experimentação animal

- mamografia, etc

PET CT

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PETConfiguração típica

� Câmara PET

Cristal cintilador(BGO, LSO, GSO, ...)

Bloco de detecção

MóduloCâmara PET

Cristal individual

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Fotomultiplicador

PETDetecção da radiação

� Detector– Cristal de cintilação + fotomultiplicador (PMT)

Fotões de cintilação sãoconvertidos em impulsoseléctricos e amplificadospelo PMT

Fotão gama interage no cristal, gerando umacintilação (emissão de fotões de baixa energia)

Electrónicaanalógica

ElectrónicaDigital

Computador

Energia medidaE

FWHM

Energia dos fotões incidentes (assumindoque não há dispersãono objecto)

E

E

FWHMResolução em energia =

Valores típicos nos sistemas actuais: 10% (NaI), ~14% (GSO), ~20% (BGO,LSO)

Cristal de cintilação

200V

400V

600V

800V

1000V

1200V

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Detecção de radiação em PET� Algumas coincidências detectadas dão

informação incorrecta da posição da aniquilação

e-

e+

Efeito ComptonFotão muda de

direcção e perde energia

Coincidência dispersa

Proporcional ao número de coincidências verdadeiras

e-

e+

Coincidências aleatórias, fortuitas ou acidentais

e-

e+

2 photons from 2 different anihilations are detected at the same time

Proporcional ao quadrado do nº de fotões simples e àduração da janela de coincidência

Domina o nº total de contagens quando há muita actividade no campo de visão

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PETDetecção da radiação

� Alguns cintiladores usados em PET

��������

���� ����

��������

��������

���� ����

– LSO é denso, rápido e luminoso

– BGO é denso, mas não é rápido nem luminoso

– NaI é luminoso, mas não é denso nem rápido

– GSO e outros cristais são alternativas interessantes ao LSO

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http://www.medical.siemens.com/webapp/wcs/stores/servlet/PSGenericDisplay?storeId=10001&langId=-7&catalogId=-7&catTree=100001&pageId=72594

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Detecção da radiação em PET� Tipos de eventos detectados numa câmara PET

Total de coincidências medidas numa dada LOR: RST ++

Single

só 1 fotão detectado

Multiple

3 or + fotões detectadossimultaneamente

Na prática, apenas se obtém uma estimativa dos trues: RSRSTT ˆˆˆ −−++=

estimativas

(com poucas contagens T pode ser negativo: processo estatístico) ^

True (T)

não detectado

não detectado

LOR

LORLO

R

Scatter (S) Random (R)

2 fotões detectados simultaneamente

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Aquisição de dados em PET� Organização dos dados

– Acumulam-se coincidências verdadeiras nas LORs– Nalguns casos, contagens em grupos de LORs próximas

somam-se numa única LOR média (“mashing”)– LORs são organizadas em projecções

etc…

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ObjectoObjecto ProjecProjecççõesões

R.

R. B

adaw

iB

adaw

i

Tomografia

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PET data acquisition� 2D and 3D acquisition modes

septa

2D mode (= with septa)

3D mode(= no septa)

In the 3D mode there are no septa: photons from a larger number of incident angles are accepted, increasing the sensitivity.

Note that despite the name, the 2D mode provides three-dimensional reconstructed images (a collection of transaxial, sagittal and transaxial slices), just like the 3D mode!

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PET data acquisition� 2D mode vs. 3D mode

2D mode (= with septa)

3D mode(= no septa)

True

detected

True

not detected (septa block

photons)

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PETCorrecção de atenuação

“Blankscan”

(nada no campo de visão)

Fonte de transmissão(roda em torno do paciente)

ou

TAC(nas câmaras PET/CT)

Exame de transmissão

(com o paciente no campo de visão)

Mais usado nas câmaras actuais

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Tomografia

Projecção

Objecto

P(φ 2 ,r)

∫=),(

),(),(rline

dlyxfrPφ

φ

Transformada de Radon

φ1

φ2

P(φ1 ,r)

f(x,y)

r

r

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Organização de dados� Sinograma

– Linhas de projecção segundo uma mesma direcçãoaparecem na mesma linha do sinograma

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Reconstrução de imagem em PET

Sinograma

r

φÂngulo de projecção

Linha de projecção

Objecto

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r

φÂngulo de projecção

Linha de projecção

Reconstrução de imagem em PET

SinogramaObjecto

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r

φÂngulo de projecção

Linha de projecção

Reconstrução de imagem em PET

SinogramaObjecto

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r

φÂngulo de projecção

Linha de projecção

Reconstrução de imagem em PET

SinogramaObjecto

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r

φÂngulo de projecção

Linha de projecção

Reconstrução de imagem em PET

SinogramaObjecto

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Organização de dados� Sinograma

– Uma fonte pontual no campo de visão aparece como uma sinusóide no sinograma (daí o nome), de amplitude igual à distância radial

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Reconstrução de imagem em PET

SinogramaObjecto

r

φ

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Reconstrução de imagem em PET

SinogramaObjecto

r

φ

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Reconstrução de imagem em PET

SinogramaObjecto

r

φ

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Reconstrução de imagem em PET

SinogramaObjecto

r

φ

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Reconstrução de imagem em PET

r

φ

SinogramaObjecto

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Sinogram

S. C

herr

yS

. Che

rry

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4 projecções 16 projecções 128 projecções

Retroprojecção

Retroprojecção Filtrada (FBP)

Objecto

Reconstrução de imagem em PET

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Janelas de apodização

Rampa

Rampa

Hamming

Hamming

Hanning

Hanning

Espaço das frequências

Compromisso: resolução espacial ↔ sinal/ruído.

Reconstrução de imagem em PET� Filtros

Frequency (0.5=Nyquist freq.)

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Algorithm comparison� 600 000 counts (including scatter)

original

3DRP Hanning

3D OSEM + filt.6 subsets5 iter.Gauss .5cm

FORE + OSEM

6 subsets2 iter.

3D OSEM

6 subsets2 iter.

Image credits: Kris ThielemansMRC CU, London (now IRSL – www.irsl.org)