Εισαγωγή: Η ικανότητα ανίχνευσης της οστικής νόσου σε πρώιμο στάδιο αποτελεί ένα σημαντικό βήμα στην αντιμετώπιση τόσο των κακοήθων όσο και των καλοήθων κλινικών καταστάσεων. Οι σπινθηρογραφικές μέθοδοι απεικόνισης ως ιδιαιτέρως ευαίσθητες στην πρώιμη ανίχνευση των οστικών νόσων και ως παρέχουσες λειτουργικές πληροφορίες σε συνδυασμό με το χαμηλό κόστος και τη δυνατότητα απεικόνισης ολόκληρου του σκελετού με ελάχιστη ακτινοβόληση, αποτελούν σε πολλές περιπτώσεις τις μεθόδους εκλογής έναντι των ακτινολογικών μεθόδων οι οποίες σε γενικές γραμμές υπερέχουν ως προς την ειδικότητα. Σκοπός: Η παρούσα μελέτη στοχεύει να καταγράψει την επιπλέον συνεισφορά της τομογραφικής μελέτης στην πρώιμη εντόπιση των βλαβών της σπονδυλικής στήλης σε σχέση με το απλό σπινθηρογράφημα οστών με απώτερη στόχευση να ερευνηθεί πιθανή καθιέρωσή της ως εξέτασης ρουτίνας. Δευτερεύουσα στόχευση αποτελεί η επιβεβαίωση της συνεισφοράς της τομογραφικής μελέτης στη λεπτομερέστερη περιγραφή της ανατομικής θέσης της βλάβης που είναι ενδιαφέρουσα εξαιτίας της πολύπλοκης ανατομικής δομής των σπονδύλων. Η μελέτη αφορά σε ασθενείς με πόνο στη σπονδυλική στήλη αδιάγνωστο τόσο από την κλινική εξέταση όσο και από τις κλασικές ακτινολογικές μεθόδους. Υλικό-Μέθοδος: Μελετήθηκαν 87 ασθενείς ηλικίας 10-80 χρόνων εκ των οποίων 43 ήσαν άνδρες και 44 γυναίκες, με κοινό χαρακτηριστικό τους επίμονο και αδιάγνωστο πόνο της σπονδυλικής στήλης και οι οποίοι στα πλαίσια της διερεύνησης του πόνου θα υποβάλλονταν σε απλό σπινθηρογράφημα οστών. Από τους ασθενείς αυτούς 16 έπασχαν από καρκίνο, 16 από βρουκέλλωση 20 από διάχυτα οστικά άλγη και 35 από οσφυαλγία. Στους ασθενείς αυτούς 2.5-3 ώρες μετά την ενδοφλέβια χορήγηση του ραδιοφαρμάκου (99mTc-MDP) λαμβάνονταν ολόσωμα σπινθηρογραφήματα οστών. Αμέσως μετά οι ασθενείς υποβάλλονταν σε τομογραφική σπινθηρογραφική μελέτη με περιοχή ενδιαφέροντος τη σπονδυλική στήλη. Αποτελέσματα: Τα αποτελέσματα ανέδειξαν ότι στην τομογραφική μελέτη 55 στους 87 ασθενείς (63.2%) είχαν σαφή παθολογικά ευρήματα στη σπονδυλική στήλη έναντι μόνο 22 (25.2%) ασθενών με σαφή παθολογικά ευρήματα και 15 (17.2%) με αμφίβολα ευρήματα που ανέδειξε η απλή σπινθηρογραφική μελέτη. Σε γενικές γραμμές η διαφορά αυτή καταγράφεται και στις τέσσερις κατηγορίες ασθενών ενώ σε κάθε περίπτωση ο ανατομικός εντοπισμός της βλάβης υπήρξε ακριβέστερος. Συμπέρασμα: Το υπερδιπλάσιο ποσοστό θετικών τομογραφικών μελετών -έναντι των απλών-, ο ακριβέστερος ανατομικός εντοπισμός και η απουσία της παραμικρής επιπλέον ακτινολογικής επιβάρυνσης καθιστά αναγκαία την καθιέρωση της τομογραφικής μελέτης ως εξέτασης ρουτίνας σε συνδυασμό πάντοτε με το ολόσωμο σπινθηρογράφημα οστών. / Introduction: The diagnosis of bone disease in early stage is an important step for the treatment of malignant and benign clinical conditions. Nuclear Medicine methods are superior than the radiographics ones due the high sensitivity in the early detection of bone disease and the functional informations they offer. Considering the low cost, the ability of low radiation whole-body imaging and the high sensitivity it is obvious why Nuclear procedures are consist of methods of choice, although radiographic ones appear to produce higher specificity. Purpose of the study: The purpose of this study is to find out the extra contribution of SPECT imaging to the early detection of spinal lesions in comparison with planar imaging and the possibility to be established as a method of routine. Another purpose of this study is to confirm the contribution of SPECT imaging, in order to determine the particular localisation of the lesions. In this study we investigate patients with back pain, which was unconfirmed by clinical or/and radiographic examination. Material and Methods: 87 patients were studied (43males, 44 females) with an age range between 10-80 years. All of them suffered from persistent back pain which remained undiagnosed through physical examination and X-ray imaging. These patients were referred to undergo a planar imaging. A total of 16 were suffering from malignant disease, 16 from brucellosis, 20 from diffuse bone pain and 35 from backache. Between 2.5 and 3 hours after intravenous administration of radiopharmaceutical substance (99mTc-MDP), planar whole-body scans and SPECT studies (with the spine as region of interest) were obtained. Results: In the planar scans we identified 22 (25.2%) patients with marked lesions and 15 (17.2 %) with questionable findings, while in the SPECT studies 55 (63.2%) patients with marked lesions and no questionable finding. In general this difference refers to all four categories of patients and whenever were existed pathological findings the anatomical localisation of the lesions was more accurate. Conclusions: The higher sensitivity, the accuracy in anatomical localisation and the absence of any extra radiation charge makes the establishment of SPECT imaging necessary as a routine method in combination with whole-body planar scan.

Η φυσιολογία του κεντρικού νευρικού συστήματος (ΚΝΣ) έχει καλά περιγραφεί όσον αφορά τα υποσυστήματα, γενικά και ειδικά. Γενικά: Σχετικά με το ενδοκρανιακό αγγειακό σύστημα, oι δυναμικές αλληλεπιδράσεις και αλλαγές (οξείες και χρόνιες) μεταξύ του εγκεφαλικού παρεγχύματος, της ενδοκράνιας πίεσης (intracranial pressure ICP), του εγκεφαλονωτιαίου υγρού (ΕΝΥ) και χωροκατακτητικών μαζών έχουν αρχίσει και εκτεταμένα μελετηθεί και περιγραφεί τα τελευταία 100 χρόνια. Ειδικά: Η λειτουργική χαρτογράφηση του παρεγχύματος (π.χ. φλοιϊκή, βασικών γαγγλίων, λευκής ουσίας, συνδετικών και συνδεσμικών ινών) που σχετίζεται με το τραύμα, τη λοίμωξη, τους όγκους και το αγγειακό σύστημα, έχουν αναλυθεί με τη χρήση του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος (ΗΕΓ) και τις σύγχρονες νευροαπεικονιστικές μεθόδους όπως PET, SPECT, MEG (Magneto encephalography), fMRI (functional Magnetic Resonance Imaging) από το 19254. Αυτές οι μελέτες έχουν δώσει νέα ώθηση στην κατανόηση και ερμηνεία των υποσυστημάτων (νευρωνικών, αγγειακών -rCBF, ενδοκρινολογικών, ανοσολογικών) του εγκεφάλου, σε σύγκριση με τις γνώσεις των προηγουμένων αιώνων. Όμως δεν πρέπει να αγνοήσουμε τις πληροφορίες που έχουν αποκτηθεί τα τελευταία 2000-3000 χρόνια, από την εποχή του Ιπποκράτη. Όσο εντυπωσιακές και αν είναι οι πρόσφατες ανακαλύψεις θα πρέπει να τοποθετηθούν στην κατάλληλη ιστορική προοπτική. Οι νέες γνώσεις μας είναι σχετικές και σε πολλές περιπτώσεις χρήζουν περισσότερης μελέτης. Η αυτόματη υπαραχνοειδής αιμορραγία (SAH) με τις λειτουργικές και ανατομικές επιδράσεις στο εγκεφαλικό παρέγχυμα είναι μια από τις νοσολογικές οντότητες που οι νέες απεικονιστικές μέθοδοι έχουν τύχει εκτεταμένης εφαρμογής. SAH με το ίδιο μέγεθος, Εισαγωγή 11 εντόπιση, επέκταση, δεν προκαλούν τις ίδιες δυσλειτουργίες ή ελλείμματα -μόνιμα ή προσωρινά. Υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που επιδρούν σε αυτό άμεσα ή έμμεσα: 1. Η δομική οργάνωση του ΚΝΣ δεν επιτρέπει επιβλαβείς παράγοντες να καταστρέψουν τους νευρώνες, τις ίνες της λευκής ουσίας, τις αγγειακές δομές ή το ανοσοποιητικό σύστημα. 2. Η θέση των κύριων λειτουργιών μέσα στο ΚΝΣ είναι γνωστή, όμως οι κυτταρικές ομάδες αυτών των περιοχών δεν είναι απομονωμένες από τις γύρω κυτταρικές ομάδες, από τα απομακρυσμένα συστήματα, από ολόκληρο τον εγκέφαλο, ή ακόμη και από το σώμα. 3. Τα υποσυστήματα του ΚΝΣ και κυρίως η rCBF, σχετίζoνται με ένα πολύπλοκο δικτυωτό σύστημα (network-like system). H ένταση των μηχανικών, χημικών, βιολογικών ερεθιστικών παραγόντων και η δυνατότητα ερεθισμού του υποσυστήματος είναι υπεύθυνα 4. για την σοβαρότητα και τη διάρκεια της δυσλειτουργίας και των ελλειμμάτων (διάσχιση). 5. Η πίεση του εγκεφαλικού παρεγχύματος (οίδημα, παρεκτόπιση, εγκολεασμός) ως ακτινολογικό εύρημα της συμβατικής τεχνολογίας δεν μπορεί να προβλέψει την κλινική συμπτωματολογία, αλλά κυρίως, δεν μπορεί να προβλέψει πότε η πίεση θα γίνει επικίνδυνη. H αντιμετώπιση της υπαραχνοειδούς αιμορραγίας που βασίζεται στη φαρμακευτική υπερδυναμική θεραπεία (αυξημένος ενδοαγγειακός όγκος υγρών, ελεγχόμενη αυξημένη πίεση, αιμoαραίωση) και στη χρήση των αναστολέων Ca+2 αρχίζει τα τελευταία χρόνια να εμπλουτίζεται με νέες χειρουργικές τεχνικές, όπως την αγγειοπλαστική και το by-pass.  Το SPECT-εγκεφάλου παρέχει επιπρόσθετες πληροφορίες όσον αφορά στη SAH από ότι οι μέχρι τώρα υπάρχουσες νευροαπεικονιστικές μέθοδοι;  Μπορεί η μέτρηση της rCBF-SPECT και η έγκαιρη πρόβλεψη των αλλαγών της να τροποποιήσουν τη φαρμακευτική θεραπεία με την ελπίδα να επιτευχθούν αποτελέσματα ανώτερα από εκείνα που ανακοινώνονται μέχρι σήμερα στη διεθνή βιβλιογραφία;  Πώς η διαφορετικότητα του χρόνου εμφάνισης του “αγγειόσπασμου” μπορεί να συσχετιστεί με τις δυσλειτουργίες του εγκεφάλου (ισχαιμία) και την πρόγνωση;  Μπορεί ο χρόνος εμφάνισης του “αγγειόσπασμου” να προβλεφθεί με το SPECT;  Γιατί μετράμε τις εφεδρείες της rCBF; Εισαγωγή 12  Μπορεί το 99mTc-ECD να αποτελέσει ένα αξιόπιστο ραδιοφάρμακο για τη μέτρηση της rCBF, συγκρινόμενο με ραδιοφάρμακα της ίδιας κατηγορίας; Tα ερωτήματα που τέθηκαν παραπάνω, των οποίων η απάντηση (μελέτη) γίνεται ολοένα και πιο επιτακτική στο κατώφλι του ερχομένου αιώνα, έδωσαν το ερέθισμα για να συνταχθεί το παρόν πόνημα. Η γοητεία της πρόβλεψης του αγγειόσπασμου και η επίδρασή της στη θεραπευτική αντιμετώπιση και την πρόγνωση της νόσου, οδήγησαν την ερευνητική προσπάθεια στη “μελέτη της εγκεφαλικής αιμάτωσης με 99mTc-ECD της υπαραχνοειδούς αιμορραγίας με SPECT”, που είναι ο τίτλος της παρούσας μελέτης. Το Γενικό Μέρος της παρούσας μελέτης περιλαμβάνει μια σύντομη ιστορική αναδρομή της σχέσης της πυρηνικής ιατρικής και του rCBF, των ραδιοφαρμάκων γενικά και του 99mTc- ECD ειδικότερα, την περιγραφική παρουσίαση της ανατομίας και παθοφυσιολογίας του αιματοεγκεφαλικού φραγμού και της αγγειακής εγκεφαλικής αυτορρύθμισης, την εκτενή παρουσίαση της SAH και του αγγειόσπασμου (αίτια, παθοφυσιολογία, παθολογία, ταξινόμηση, κλινική εκδήλωση, αντιμετώπιση). Τέλος, γίνεται εισαγωγή στην ιατρική τεχνολογία του SPECT και τις εφαρμογές του στην Νευροχειρουργική γενικά και στην SAH ειδικότερα. Στο Ειδικό Μέρος παρουσιάζονται το υλικό και η ανάλυση της μεθόδου, τα κλινικά, ακτινολογικά και σπινθηρογραφικά αποτελέσματα και η συζήτησή τους, καθώς επίσης η σύγκριση της μεθόδου με τις ήδη υπάρχουσες. Τέλος αναφέρονται τα συμπεράσματα της μελέτης και ακολουθεί η περίληψη αυτής. / -

Σκοπός της εργασίας είναι ο σχεδιασμός και έπειτα η υλοποίηση ενός έξυπνου συστήματος ηλεκτρονικής μάθησης στο τομέα της φυσικής της πυρηνικής ιατρικής, το οποίο θα αποτελεί ένα αρχικό βήμα προς τη κατεύθυνση της ιδανικής διδασκαλίας και μάθησης στο τομέα αυτό. Αφού προσδιορίσαμε τους λόγους για την ανάπτυξη ενός συστήματος ηλεκτρονικής μάθησης στη φυσική της πυρηνικής ιατρικής, αναλύσαμε το κοινό στο οποίο αυτό απευθύνεται, καθορίσαμε συγκεκριμένους μαθησιακούς στόχους, και έχοντας λάβει υπόψη τις στρατηγικές που έχουν εφαρμοστεί μέχρι τώρα στην ηλεκτρονική μάθηση καθώς και τις ιδιαιτερότητες του τομέα της φυσικής της πυρηνικής ιατρικής, σχεδιάσαμε ένα σύστημα ηλεκτρονικής μάθησης, το οποίο περιέχει κατάλληλα εκπαιδευτικά εργαλεία για την επίτευξη του επιθυμητού μαθησιακού αποτελέσματος, καθώς και εργαλεία για την αξιολόγηση του εκπαιδευομένου. Έπειτα προχωράμε στο κτίσιμο της πλατφόρμας. / Aim of this subject is the planning and then the implementation of a “clever” e-learning system in the sector of physics of nuclear medicine, which will constitute an initial step to the direction of ideal teaching and learning in this sector. After we determined the reasons for the development of an e-learning system in the physics of nuclear medicine, analyzed the audience that this is addressed, determined specific learning objectives, and keeping in mind the strategies that have been applied up to now in the e-learning, as well as the particularities of the sector of physics of nuclear medicine, we have designed an e-learning system which contains suitable educational tools for the achievement of desirable learning result as well as tools for learner assessment .Then we proceeded to the building of the platform.

- / -

The aim of this study is the development of a statistical denoising method, to reduce noise in scintigraphic images, preserving image quality characteristics such as contrast, and resolution. The method is based on principal component analysis (PCA) reduces the volume of image data, preserving a large amount of useful information, by considering that a small number of independent image components contain useful information (signal), whereas a large number of independent components contain statistical noise. Therefore, applying PCA and discarding the image components, which correspond to noise, noise reduction can be achieved. PCA is a multivariate correlation analysis technique which explains algebraically a variance-covariance structure of observed data sets with a few linear combinations of original variables [28-30]. The motivation behind PCA is to find a direction, or a few directions, that explain as much of the variability as possible. This is achieved because each direction is associated with a linear sum of the variables, which are linear sums of the initial variables. Thus, the first principal component is the linear sum corresponding to the direction of greatest variability. The search for the second principal component is restricted to variables that are uncorrelated with the first principal component. To assess the performance of the proposed denoising method was compared to four conventional noise reduction methods, employing quantitative image quality characteristics (noise and spatial resolution characteristics). Specifically, the linear filter (smooth 3x3 and smooth 5x5), and the non-linear filter (median 3x3 and median 5x5) were used. Additionally to demonstrate the applicability of the proposed method, it was applied to clinical planar scintigraphic images. / Ο όρος Πυρηνική Ιατρική περιγράφει τις διαγνωστικές και θεραπευτικές διαδικασίες, που απαιτούν την εισαγωγή ραδιοφαρμάκων στον οργανισμό. Οι απεικονιστικές τεχνικές της πυρηνικής ιατρικής αξιοποιούν το γεγονός ότι η ακτινοβολία των ραδιενεργών νουκλιδίων μπορεί να διαπεράσει τους ιστούς και να ανιχνευθεί εξωτερικά, καθιστώντας δυνατή τη μελέτη φυσιολογικών και βιοχημικών διαδικασιών εν εξελίξει σε ζωντανούς οργανισμούς. Η απεικόνιση πυρηνικής ιατρικής χρησιμοποιείται ευρέως στην κλινική πράξη. Σε σύγκριση με άλλες απεικονιστικές τεχνικές έχει το πλεονέκτημα ότι μπορεί να δώσει ταυτόχρονα ανατομικές και λειτουργικές πληροφορίες. Το μειονέκτημα όμως των εικόνων πυρηνικής ιατρικής είναι ο πολύ χαμηλός λόγος σήματος-προς-θόρυβο (signal-to-noise ratio-SNR) σε σχέση με εικόνες άλλων απεικονιστικών τεχνικών. Η εικόνα στην πυρηνική ιατρική αντιστοιχεί στην κατανομή ραδιενεργού υλικού μέσα στο σώμα του ασθενούς. Η τιμή κάθε pixel της εικόνας σχετίζεται με τον αριθμό των γ-φωτονίων που ανιχνεύονται σε μια περίοδο χρόνου. Οι τιμές αυτές ακολουθούν μια στατιστική κατανομή (κατανομή Poisson), λόγω της τυχαίας φύσης της διάσπασης του χορηγούμενου ραδιενεργού υλικού. Η διακύμανση μιας τυχαίας Poisson μεταβλητής ισούται με τη μέση τιμή της και συνεπώς για να μειωθεί η επίδραση του Poisson θορύβου, ο αριθμός των φωτονίων που ανιχνεύονται πρέπει να αυξηθεί. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με τρεις τρόπους. Πρώτον, με αύξηση του χρόνου καταγραφής, που συνεπάγεται όμως αυξημένο κίνδυνο μετακίνησης του ασθενή. Δεύτερον, με αύξηση της δόσης ραδιενεργού υλικού, που δίνεται στον ασθενή, κάτι που προφανώς είναι ανεπιθύμητο. Η τελευταία λύση είναι η χρήση γ-κάμερας με πολλαπλούς ανιχνευτές ή με πολύ ευαίσθητο ανιχνευτή, που συνεπάγεται αυξημένο κόστος και πολυπλοκότητα. Για το λόγο αυτό, τεχνικές ψηφιακής επεξεργασίας για μείωση θορύβου εικόνας μπορούν να συνεισφέρουν σημαντικά στη βελτίωση της εικόνας στην πυρηνική ιατρική. Οι κλασικές τεχνικές μείωσης θορύβου κάνουν χρήση γραμμικών φίλτρων εξομάλυνσης (smoothing filters) για την αντικατάσταση της τιμής κάθε εικονοστοιχείου (pixel) με μια μέση τιμή ,η οποία προκύπτει από τη γειτονιά του. Τα φίλτρα αυτά όμως έχουν το μειονέκτημα ότι μειώνουν την αντίθεση και τη διακριτική ικανότητα της εικόνας. Μη γραμμικά φίλτρα, όπως το median φίλτρο, διατηρούν σε πολλές περιπτώσεις την αντίθεση των δομών, αλλά επίσης υποβαθμίζουν την ποιότητα εικόνας. Ένας από τους λόγους, που οι συμβατικές τεχνικές δεν έχουν ικανοποιητικά αποτελέσματα είναι ότι δεν αντιμετωπίζουν το γεγονός ότι ο θόρυβος σε κάθε pixel εξαρτάται από την ένταση του σήματος (signal dependent noise). Για το λόγο αυτό έχουν προταθεί πρασαρμοζόμενα (adaptive) φίλτρα μείωσης θορύβου. Η κατηγορία των φίλτρων αυτών χρησιμοποιεί στατιστικά κριτήρια για την επιλογή των γειτονικών pixels, που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της τιμής του κεντρικού pixel. Στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία υλοποιήθηκε μέθοδος μείωσης θορύβου, που βασίζεται στη Ανάλυση Κύριων Συνιστωσών (Principal Components Analysis, PCA), προσαρμοσμένη σε εικόνες πυρηνικής ιατρικής. Η μέθοδος αυτή στοχεύει στη μείωση του κβαντικού θορύβου Poisson κατανομής, που εμπεριέχεται σε εικόνες πυρηνικής ιατρικής. Η PCA είναι μια στατιστική τεχνική, που εξετάζει τις σχέσεις που διέπουν τις μεταβλητές ενός συνόλου δεδομένων και βρίσκει ένα υποσύνολο από τις πιο σημαντικές μεταβλητές. Οι νέες μεταβλητές περιγράφονται σαν γραμμικός συνδυασμός των αρχικών μεταβλητών και κατατάσσονται σε σειρά σημαντικότητας σε σχέση με τη διακύμανση των δεδομένων που η κάθε μια εκφράζει. Η πρώτη σημαντική συνιστώσα (principal component) είναι η μεταβλητή που εκφράζει το μέγιστο ποσό διακύμανσης. Η δεύτερη σημαντική συνιστώσα εκφράζει το επόμενο μεγαλύτερο ποσό διακύμανσης και είναι ανεξάρτητη από της πρώτης κ.ο.κ.. Ουσιαστικά, το σύνολο των αρχικών σχετιζόμενων μεταβλητών μετασχηματίζεται σε ένα σύνολο ασυσχέτιστων μεταβλητών, όπου οι λιγότερο σημαντικές μεταβλητές μπορούν να απομακρυνθούν χωρίς ουσιαστική απώλεια πληροφορίας. Η κύρια χρήση της PCA είναι να μειωθεί ο όγκος ενός συνόλου δεδομένων και να οδηγηθούμε σε μια βέλτιστη περιγραφή τους. Στην περίπτωση των εικόνων πυρηνικής ιατρικής μπορούμε να θεωρήσουμε ότι λόγω του στατιστικού χαρακτήρα του θορύβου η χρήσιμη πληροφορία περιέχεται σε μικρό αριθμό συνιστωσών, ενώ ο θόρυβος σε ένα μεγάλο αριθμό μη-σημαντικών συνιστωσών. Εφαρμόζοντας συνεπώς την PCA και αφαιρώντας τις συνιστώσες που αντιστοιχούν στον θόρυβο μπορούμε να επιτύχουμε σημαντική μείωση του. Επίσης πραγματοποιήθηκε συγκριτική αξιολόγηση μεταξύ της προτεινόμενης μεθόδου και άλλων μεθόδων μείωσης θορύβου σε εικόνες πυρηνικής ιατρικής. Συγκεκριμένα, η μέθοδος που βασίζεται στη PCA συγκρίθηκε με το φίλτρο εξομάλυνσης (smooth 3x3 και smooth 5x5) και το μη-γραμμικό φίλτρο (median 3x3 και median 5x5). Όλες οι μέθοδοι εφαρμόστηκαν σε πρότυπες εικόνες πυρηνικής ιατρικής, που αποκτήθηκαν με τη βοήθεια δυο ομοιωμάτων, ενός ομοιώματος με μικρές θερμές περιοχές (hot spots phantom) και ενός ομοιώματος μέτρησης διακριτικής ικανότητας (bar phantom) σε διαφορετικούς χρόνους. Στις επεξεργασμένες εικόνες μετρήθηκαν ο θόρυβος, η αντίθεση, ο λόγος αντίθεσης-προς-θόρυβο (Contrast-to-Noise-ratio, CNR) και το εύρος στο ήμισυ της μέγιστης τιμής (Full-Width-of-Half-Maximum, FWHM). Τα αποτελέσματα της σύγκρισης έδειξαν ότι η μέθοδος που βασίζεται στη PCA μειώνει σημαντικά το θόρυβο, ενώ ταυτόχρονα αυξάνει το λόγο αντίθεσης-προς-θόρυβο. Τέλος, πραγματοποιήθηκε πιλοτική μελέτη προτίμησης από δυο πυρηνικούς ιατρούς μεταξύ των μεθόδων μείωσης θορύβου σε δείγμα κλινικών εικόνων συγκεκριμένων εξετάσεων στατικών λήψεων (οστών, πνευμόνων, θυρεοειδούς, παραθυρεοειδούς και νεφρών). Η μελέτη αυτή έδειξε ότι η PCA μειώνει σημαντικά το θόρυβο, ενώ ταυτόχρονα βελτιώνει οπτικά τις ανατομικές δομές των εικόνων.

The specific nature of work in nuclear medicine departments involves the use of isotopes and handling procedures, which contribute to the considerable value of the equivalent dose received, in particular, by the fingertips. Workers of nuclear medicine units who label radiopharmaceuticals are exposed to ionizing radiation. The doses of nuclear medicine workers determined by individual dosimeters, which supply data on the magnitude of personal dose equivalent. The dosimetry pointing to a considerable optimization of the radiological protection among that professional group. However, the problem of the excessive hand exposure had been noted already in the early 1980s. Systematic studies were undertaken in West Scotland. The difficulties associated with automation of radiopharmaceutical preparation process are responsible for the continuing growth of exposure to the hands of the workers. Similar studies have also been undertaken, e.g. in Chile, Norway, Australia, Italy, USA, Belgium(1). In each case, special attention has been paid to the exposure of nuclear medicine worker hands. The radiopharmacists who label various ligands can be exposed to high radiation doses to their fingertips (primarily of the thumb, index finger and middle finger). Quite frequently, the Hp(0.07) to the fingertips of those three fingers may exceed the dose limit, i.e. value of 500 mSv/y for the skin of human fingers, this dose limit refers to the maximum dose recorded(2). Specific difficulty in assessing the exposures of the most affected finger parts is aggravated by the fact that the universally employed method for the determination of the radiation doses received by the hands using a ring with attached thermoluminescence detectors is not adequate in this particular case. This measurement method is inadequate because distribution of the doses received by the skin of the hands and fingers is extremely non uniform. The main aim of the study was to measure the absorbed dose at the hands of the personnel by using thermoluminescent detectors / -

Renogram in Nuclear Medicine is the main examination for the diagnosis of several diseases in children such as kidney failure or obstructive uropathy. The dosimetry of this examination is based on the group-specific values presented by the ICRP publications. The need for person-specific dosimetry in the Nuclear Medicine urged in the creation of a new image-based dosimetric method, based on the outcome of the examination of the renogram of each patient. With the help of an experimental procedure, the percentage of self-absorption inside the “source” organs and the absorption from the surrounding tissues of the transmitted radiation of the radiopharmaceutical (99m-Tc-MAG3) is calculated, leading with the use of the MIRD method, to the measurement of the activity of Technetium inside the patient’s organs during the renogram’s duration. Afterwards with the help of theoretical models, conclusions and assumptions the total cumulated activity of the patient’s organs is calculated. The results show similar values with other projects published, which were more invasive and less cost-effective for the department. / Στην πυρηνική ιατρική, τα νεφρογράμματα είναι η κύρια εξέταση για την διάγνωση ασθενειών στα παιδιά, όπως η νεφρική ανεπάρκεια και η ουροφρακτική ανεπάρκεια. Η δοσιμετρία αυτών των εξετάσεων στηρίζεται πάνω στα group-specific όρια του ICRP. Η ανάγκη για person-specific δοσιμετρία και στην Πυρηνική Ιατρική ώθησε στη δημιουργία μιας δοσιμετρικής μελέτης που στηρίζεται στην εικόνα (image-based) από το αποτέλεσμα της εξέτασης του νεφρογράμματος του κάθε ασθενή. Με τη βοήθεια μιας πειραματικής διάταξης υπολογίζεται το ποσοστό αυτο-απορρόφησης στα όργανα «στόχους» και το ποσοστό απορρόφησης της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας από τους περιβάλλοντες ιστούς, οδηγώντας μαζί με την μέθοδο του MIRD, στον υπολογισμό της ενεργότητας του ραδιοφαρμάκου (99m-Tc-MAG3) μέσα στα όργανα του ασθενή καθ’ όλη την διάρκεια της εξέτασης. Με την βοήθεια θεωρητικών μοντέλων, συμπερασμάτων και υποθέσεων υπολογίζεται η συνολική ακτινική επιβάρυνση του ασθενούς και τα αποτελέσματα δίνουν παραπλήσιες τιμές με άλλες δημοσιευμένες εργασίες, που ακολούθησαν πιο επεμβατικές ή πιο κοστοβόρες για το τμήμα, μεθόδους.

Διευρεύνηση της μεθόδου του ακτινοεμβολισμού με μικροσφαιρίδια Υ-90 για τη αντιμετώπιση ηπατικών όγκων. Βελτίωση της image-based δοσιμετρίας προτείνοντας PET ιχνηθέτες. / Investigation of the method of radioembolization with Y90 microspheres for the treatment of liver malignancies. Improvement of the image-based dosimetry proposing the use of PET tracers.

Στην παρούσα Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία μελετάται το πρόβλημα των θωρακίσεων ακτινοπροστασίας σε τρεις χαρακτηριστικούς χώρους ενός εργαστηρίου Πυρηνικής Ιατρικής, σύμφωνα με τους Κανονισμούς Ακτινοπροστασίας. Οι υπολογισμοί έγιναν με την εφαρμογή λογιστικών φύλλων Microsoft Excel. Ο σκοπός των κάθε είδους θωρακίσεων ιοντιζουσών ακτινοβολιών είναι η μείωση της δόσης της ακτινοβολίας στην οποία εκτίθενται και απορροφούν οι εργαζόμενοι, οι ασθενείς/εξεταζόμενοι αλλά και οι απλοί επισκέπτες σε χώρους ακτινοβόλησης ή γειτονικών, μέσα στα επιτρεπτά όρια. Στην μελέτη αυτή υπολογίζεται το πάχος θωράκισης που χρειάζεται να τοποθετηθεί σε έναν χώρο έτσι ώστε να μην γίνεται υπέρβαση των Περιοριστικών Επιπέδων Δόσεων (Π.Ε.Δ.). Τα πιο κοινά υλικά θωράκισης είναι ο μόλυβδος, το μπετό/σκυρόδεμα και ο σίδηρος. Ο πρώτος χώρος περιέχει ένα ραδιοϊσότοπο, μέσα σε κρύπτη, ενώ υπολογίζεται και ο ρυθμός δόσης σε ένα άτομο, το οποίο μπορεί να βρίσκεται είτε μέσα στον ίδιο χώρο είτε σε παρακείμενο. Ο δεύτερος χώρος περιέχει δύο ραδιοϊσότοπα, και υπολογίζεται η συνολική θωράκιση που απαιτείται. Ο τρίτος χώρος είναι ο χώρος αναμονής ενός πραγματικού εργαστηρίου Πυρηνικής Ιατρικής, μέσα στον οποίο μπορούν να υπάρχουν ταυτόχρονα μέχρι επτά ασθενείς, σε κάθε έναν από τους οποίους έχει χορηγηθεί το απαραίτητο ραδιοφάρμακο για την δική του εξέταση. Επιπλέον, λαμβάνεται υπ’ όψιν η ενδοαπορρόφηση σε κάθε ασθενή, θεωρώντας ότι αποτελείται από έναν κύλινδρο (το σώμα) και μια σφαίρα (το κεφάλι). Ο χώρος αναμονής περιβάλλεται από τον διάδρομο, την αίθουσα αιμοληψιών, το θερμό εργαστήριο, το δωμάτιο εφαρμογής και ο χώρος της γ-κάμερας. Η εφαρμογή λογιστικών φύλλων Microsoft Excel επελέγη για την υλοποίηση των υπολογισμών, ούτως ώστε οι εξισώσεις και οι υπολογισμοί να είναι ανοικτοί και εύκολα επαληθεύσιμοι από τον χρήστη. Επιπλέον, το πακέτο Microsoft Excel καθώς και η λειτουργία του είναι ευρέως διαδεδομένα. Ο χρήστης έχει πλήρη έλεγχο σε κάθε παράμετρο του κάθε χώρου, όπως π.χ. διαστάσεις του χώρου, ραδιοϊσότοπο και ενεργότητα, εξέταση, μέγεθος ασθενούς, κατηγορία παρακείμενων χώρων, υλικό θωράκισης κτλ. Η εφαρμογή διαβάζει αυτόματα ό,τι πληροφορίες απαιτούνται (π.χ. Περιοριστικά Επίπεδα Δόσης, Half-Value Layer κτλ.) από τον πίνακα δεδομένων, ο οποίος και αυτός μπορεί να ενημερωθεί ή εμπλουτιστεί από τον χρήστη, και υπολογίζει τις ζητούμενες θωρακίσεις. Τέλος, η εφαρμογή έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να είναι ευέλικτη και να μπορεί εύκολα να χρησιμοποιηθεί για άλλους χώρους και εργαστήρια, είτε ως έχει είτε με μικρές τροποποιήσεις. / This Master Thesis studies the problem of radiation protection shielding in three typical areas of a Nuclear Medicine Laboratory, in accordance with Radiation Protection Regulations. The actual calculations are performed using the spreadsheet software package Microsoft Excel. The purpose of any type of ionizing radiation shielding is to reduce to within the allowable limits the dose of radiation that workers, patients and ordinary visitors are exposed to and absorb either in radiation areas or in adjacent ones. In this study the thickness of shielding which needs to be placed in an area so as not to exceed the Dose Constraints is calculated. The most common shielding materials are lead, concrete and iron. The first area contains a radioisotope within a crypt, and the dose rate is calculated to an individual, who may be located either within the same room or in an adjacent one. The second area contains two radioisotopes, and the required total shielding is calculated. The third area is the waiting room of an actual Nuclear Medicine laboratory, in which up to seven patients, each of whom has been administered the necessary radiopharmaceutical for his examination, can exist simultaneously. The internal absorption of each patient is taken into account, modeling the patient as consisting of a cylinder (the body) and a sphere (the head). The waiting room is surrounded by a corridor, the blood sampling room, the hot lab, the radionuclide administration area, and the gamma camera area. The spreadsheet application Microsoft Excel was chosen for the implementation of the calculations, so that the equations and calculations be open and easily verifiable by the user. In addition, Microsoft Excel and its use are widespread. The user has full control over every aspect of each area, e.g. dimensions of space, radioisotope and activity, examination, patient size, category of adjacent area, shielding material etc. The application automatically reads the required information (e.g. Dose Constraints, Half-Value Layer etc.) from the data table, which may also be updated and enriched by the user, and calculates the required shielding. Finally, the application is designed to be flexible and can easily be used for other areas and laboratories, either as it is or with minor modifications.

A valid definition of molecular imaging could be the noninvasive, real-time visualization of biochemical events at the cellular and molecular level within living cells, tissues, and/or intact subjects.The words molecular imaging mean different things to various groups, and thus the areas of research and medicine that fall under the umbrella of molecular imaging are incredibly vast and varied.Generally speaking, molecular imaging involves specialized instrumentation, used alone or in combination with targeted imaging agents, to visualize tissue characteristics and/or biochemical processes. The data provided from molecular imaging studies can be used to help understand biological phenomena, identify regions of pathology, and provide insight regarding the mechanisms of pathogens. The PET-MRI combination requires the implementation of four technologic achivements that influence current state-of-the-art PET and MRI. First, the photomultiplier technology must be replaced with magnetic field–insensitive avalanche photodiodes. Second, compact PET detectors must be constructed in such a way to be transparent to the MRI and so to not interfere with the field gradients or MR radiofrequency. Third, the MRI scanner must be adapted to accommodate the PET detectors and to allow simultaneous and concurrent data acquisition. Finally, investigation on the optimum reconstruction strategies to accompany such a system incorporating completely new procedures for PET attenuation correction, based solely on MRI information, have to be performed. The development of integrated PET-MRI is, therefore, a comprehensive endeavor that requires a significant advancement of PET detector technology, MRI system integration, and new software approaches. Historically, PET systems have generally developed as circular “rings”. The earliest tomographs consisted of few detectors that rotated and translated to obtain a complete set of projection data, but soon full ring systems were developed. Yet, dual head PET scanners, due to their smaller size, compact geometry and closer proximity to the source can provide optimum dedicated scanning. In other cases imaging can be performed where convensional full ring geometries cannot be used. The have been proven valuable tools in preclinical imaging and are emerging in clinical cases like in PEM (Positron Emission Mammography). For the current Ph.D. thessis a planar dual head PET system was used for the evaluation of the reconstruction algorithms as well as the validation of the simulation models. It was developed by the Detector and Imaging Group of the Thomas Jefferson National Accelerator Facility (USA) in collaboration with the Medical Instruments Technology dep. of the Technological Educational Institute of Athens and is currently installed at the Institute of Radioisotopes - Radiodiagnostic prod. at the National Center for Scientific Research “Demokritos”. The system has two planar detectors. Each head contains one Hamamatsu H8500 PSPMT with 50$\times$50 mm$^2$ active size; an LSO:Ce crystal array with 20x20 pixels, 2x2x10 mm^3 in size. The septa between the crystals are 0.2 mm. The two detector heads were mounted on a gantry made initially from wood and afterwards from plastic. The materials were selected for their magnetic tolerance and low cost. In addition, their construction allow the easy adjustment of the head separation distance according to the needs of the experiment. The minimum separation distance between the two heads can be 7 cm and the maximum 14 cm. Moreover, it is capable to accept two additional heads in order to support a quad head system. The system is able to provide images without rotation using the Focal Plane Tomography algorithm. While using step and shoot acquisition it can provide tomographic images based on the acquired planar projection data or data obtained in listmode format and sorted in 3D sinograms similar to cylindrical PET systems. Evaluation of the system under planar imaging showed that for head separation distance 5 cm, the system maintains its linear performance for activities up to 3.5 MBq, which is sufficient for mice applications. For larger separations distances this value is well above 4 MBq. It is fully capable of providing fast planar coincidence images as well as non-kinetic tomographic images using a step and shoot rotation. The main drawback of the rotating head approach remains of low sensitivity compared to the full-ring systems. The best spatial resolution, in the center of the FOV, is 2.5 mm in the planar mode and 1.9 mm in the tomographic mode. For head separation distances below 8 cm the FOV appears to be uniform in the central 4x4 cm^2 area in planar and in tomographic acquisitions. Further on the edges the sensitivity is reduced to the 10%. The performance of the system in imaging small animals, despite any limitations on the reconstruction, is considered satisfactory.Fast planar images, for pharmaceutical kinetic analysis, can be obtained. While using the rotating capabilities of the gantry, all the important anatomical structures are imaged in detail. The geometry of the prototype system was simulated using GATE 6.0. Two simulation models were implemented and validated. With and without the ^176Lu radioactivity, since the LSO intrinsic radioactivity is not included by default to GATE simulations. The two models were validated with reference experimental data in terms of dark count rate, count rate performance (cps) and scatter fraction (sf). In addition the effect of the low level discriminator (LLD) threshold on signal as well as image quality is compared to the effect of the software energy window. The intrinsic radioactivity concentration of the ^176Lu was found in literature as 277Bq/cm^3. The intrinsic activity was uniformly distributed within the volume of the crystal array, accounting for the septa volume between the crystals. Close investigation on the origin of the detected events in the simulated data, concluded that the use of high LLD thresholds and a wide energy window improves the sensitivity of the system in terms of NECR, since greater number of true events are detected while randoms and scatters are early rejected. Investigation on the SNR properties, using a additional water phantom,to approximate the small animal body, showed that the value peaks when the low energy window limit is at 350 keV. Below that limit the scatters are strongly increased and above a portion of the trues is rejected. The minimum detectable activity of the system was assessed to 12.4 KBq, under the aforementioned imaging conditions. Using a more complex phantom, rather than a capillary source, the minimum detectable activity is expected to take higher values. Simulation were carried out incorporating the influence of a static magnetic field. The results suggested great improvement on the minimum detectable activity, in the case were there is not sufficient medium around the source for positron annihilation. Hence, improvements on the detectability of small lesions in the lungs of near the skin, are to be expected in an PET/MR module. This is a positive side effect of the magnetic field which has not been stressed out in literature. In addition, the results showed that the spatial resolution of the system got improved, as expected. In order to address the limitations of the rotating planar reconstruction, STIR reconstruction toolkit was introduced. STIR is a well validated reconstruction toolkit providing the OSEM algorithm, accompanied with a great variety of applicable options and filters. For the current studies only OSEM with 2 iterations was used. Possible image improvements on the image quality with the use of filters and priors was out of the scopes of this thesis. In addition, a component based normalization technique and an attenuation correction approximation were applied during the reconstruction. In order to produce the normalization sinograms two different source were simulated. First, an ideal cylindrical source, covering the entire FOV for the extraction of the axial geometric factors and the detector efficiencies. Second, a planar rotating source in order to calculate the transverse geometric factors and crystal interference functions. For the calculation of the experimental PET's detector efficiencies an plastic planar source was constructed rotated mathematically around the FOV, in order to approximate the ideal cylindrical of the simulation. The components of the normalization were geometric (transverse and axial), detector efficiencies and crystal interference functions. The normalized reconstructed images images, simulated as well as experimental, demonstrate uniform sensitivity inside the FOV. The final, part of a small animal imaging PET system, compatible with strong magnetic fields, which was under investigation, was the part of the detector. Current trends lead to the SiPMs as the next generation of PET detectors due to the magnetic tolerance. SiPM detectors purchased from SensL were evaluated in terms of their output pulse and noise characteristics, photon detection efficiency and linearity over the bias voltage and the energy of the irradiating source. Two SiPM detectors were evaluated SPMM-3020 and SPMM-3035. The differences reside on the difference size, wherefore and total number, of SPAD elements. In order to overcome limitations on the manufacturer's electronics a custom amplifier was designed and implemented. The amplifier was able to condition the signals from both SiPM to be acquired correctly from the DAQ. SPMM-3020, which had more and smaller SPAD elements showed a more linear response under a wide variety of conditions ranging to different operational voltages to crystals with higher light output irradiated from sources with different γ-photon energy. In addition, under normal room temperature the noise propertied were superior over SiPM-3035. The results indicate that this detector would be the preferable choice for a SPECT system, which the imaging protocols require the linear and accurate detect many different $\gamma$-photon energies. SPMM-2035, which had less and larger SPAD elements displayed better energy resolution and a narrower but adjustable (through the operating voltage) linear area. The provided signal was higher, hence less amplification was demanded for it to be recorded, even after long transition though cables. These merits make it a suitable candidate for PET-MR scanners since in PET imaging the energy of the detected γ-photons is only 511 keV and the linear area can be adjusted according to the crystal's light output. / Ένας έγκυρος ορισμός της μοριακής απεικόνισης θα μπορούσε να είναι "η μη επεμβατική, σε πραγματικό χρόνο απεικόνιση των βιοχημικών γεγονότων σε κυτταρικό και μοριακό επίπεδο μέσα σε ζωντανά κύτταρα, ιστούς, ή/και άθικτα δοκίμια". Ο τίτλος της μοριακή απεικόνιση υπονοεί διαφορετικά πράγματα για διάφορες ομάδες και πεδία έρευνας, έτσι οι τομείς της έρευνας και της ιατρικής που εμπίπτουν κάτω από την ομπρέλα της μοριακής απεικόνισης είναι πολλοί και ποικιλόμορφοι. Γενικά μιλώντας, μοριακή απεικόνιση περιλαμβάνει εξειδικευμένα συστήματα, που χρησιμοποιούνται από μόνα τους ή σε συνδυασμό με στοχευμένους παράγοντες απεικόνισης, για να απεικονίσουν λειτουργικά χαρακτηριστικά κάποιων ιστών ή/και ενδοκυτταρικές βιοχημικές διεργασίες. Τα δεδομένα που παρέχονται από τις μελέτες μοριακής απεικόνισης μπορεί να χρησιμοποιηθούν για να βοηθήσουν στην κατανόηση των βιολογικών φαινομένων, να προσδιορίσουν παθολογικές καταστάσεις, και να παρέχουν πληροφορίες σχετικά με τους μηχανισμούς των παθολογικών παραγόντων. Τα πιο δημοφιλή κλινικά συστήματα που χρησιμοποιούνται στην μοριακή απεικόνιση είναι την τομογραφία ανίχνευσης μονού φωτονίου (SPECT), η τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίου (PET) και η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (MRI). Σε προκλινικές εφαρμογές η λίστα εμπλουτίζεται με την χρήση υπερήχων και οπτικής τομογραφίας. Λόγω του ότι η λειτουργική απεικόνιση συνήθως δεν παρέχει επαρκεί ανατομική πληροφορία, είναι εξαιρετικά διαδεδομένα τα συνδυαστικά συστήματα. Η πιο διαδεδομένη υλοποίηση είναι το σύστημα PET/CT. Δηλαδή ο συνδυασμός ενός PET και ενός αξονικού τομογράφου. Με αυτό το τρόπο είναι δυνατή η λειτουργική απεικόνιση και ο ακριβής εντοπισμός της θέσης των διεργασιών αυτών. Το PET/CT παρουσιάστηκε αρχικά στις αρχές της δεκαετίας του '90 και το πρώτο σύστημα έγινε εμπορικά διαθέσιμο το 1998. Εκτός από την ανατομική πληροφορία το CT προσφέρει στο PET και ακριβείς συντελεστές εξασθένησης για την διόρθωση εξασθένησης, που βελτίωσε σημαντικά στην τελική ιατρική εικόνα του PET. Τα τελευταία χρόνια το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας έχει στραφεί στον συνδυασμός του PET με τον μαγνητικό τομογράφο (PET/MR). Τα πλεονεκτήματα που μπορεί να προσφέρει αυτός ο συνδυασμός είναι ποικίλα. Το πιο σημαντικό, πιστεύουμε είναι, η παροχή ταυτόχρονης λειτουργικής και ανατομικής απεικόνισης. Δηλαδή, οι εικόνες PET πλέον θα έχουν πληροφορίες σχετικές και με την κίνηση είτε φυσική παραμόρφωση των ιστών (π.χ. κύκλος αναπνοής). Επίσης πληροφορίες απο το MRI μπορούν να βοηθήσουν στην διόρθωση μερικού όγκου (PVC) που παρουσιάζει το PET όταν απεικονίζει δομές μικρού όγκου. Με την χρήση ειδικών νανοσωματιδίων με μαγνητικό πυρήνα και της ταυτόχρονης απεικόνισης, δημιουργούνται νέες προοπτικές στοχευμένη θεραπείας και ταυτόχρονης απεικόνισής της. Οι δυνατότητες, αυτών των μεθόδων ακόμα είναι υπό μελέτη και ανάπτυξη, αλλά είναι εξαιρετικά υποσχόμενες. To PET/MRI απαιτεί όμως, την εφαρμογή τεσσάρων τεχνολογικών επιτευγμάτων που επηρεάζουν την τρέχουσα τεχνολογία αιχμής και όσον αφορά το ΡΕΤ αλλά και MRI, ως ανεξάρτητων συστημάτων. Πρώτον, η παλαιά τεχνολογία των φωτοπολλαπλασιαστών πρέπει να αντικατασταθεί με τους μαγνητικά μη ευαίσθητους ανιχνευτές SiPM. Δεύτερον, συμπαγείς ανιχνευτές PET πρέπει να είναι κατασκευασμένοι κατά τέτοιο τρόπο ώστε να είναι διαφανείς για το MRI ώστε να μην παρεμβαίνουν με το σταθερό πεδίο είτε με τις μαγνητικές ραδιοσυχνοτήτες. Τρίτον, ο σαρωτής MRI πρέπει να προσαρμοστεί για να φιλοξενήσει τους ανιχνευτές ΡΕΤ και να επιτρέψει την ταυτόχρονη και παράλληλη απόκτηση δεδομένων. Τέλος, η έρευνα σχετικά με τις βέλτιστες στρατηγικές για την τομογραφική ανακατασκευή εικόνας πρέπει να συνοδεύσουν ένα τέτοιο σύστημα. Η ανάπτυξη ολοκληρωμένων PET-MRI είναι, ως εκ τούτου, μια πολύπλευρη προσπάθεια που απαιτεί την σημαντική πρόοδο της τεχνολογίας του ΡΕΤ και του MRI και των δύο σε συνδυασμό. Ιστορικά, στα κλινικά PET συστήματα έχει επικρατήσει η κυλινδρική γεωμετρία, η οποία αποτελείται από διαδοχικούς δακτυλίους ανιχνευτών. Μεταξύ των οποίων μπορεί να υπάρχουν κινούμενα πετάσματα για την απομόνωση τους (2Δ είτε 3Δ λήψη δεδομένων). Πρώιμα συστήματα αποτελούνταν από ομαδοποιημένους (block) ανιχνευτές, οι οποίοι μπορεί και να περιστρέφονταν γύρω από το αντικείμενο προς απεικόνιση, ώστε να συλλέξουν προβολικά δεδομένα από διάφορες γωνίες, αλλά σύντομα, οι πλήρεις δακτύλιοι κατασκευάστηκαν. Πολλοί ερευνητές συνεχίσουν να κατασκευάζουν επίπεδα συστήματα PET, γιατί αίρουν αρκετούς περιορισμούς που έχουν τα κυλινδρικά συστήματα. Όπως, θέματα γεωμετρίας στα εφαπτομενικά πεδία καθώς η πηγή απομακρύνεται από το κέντρο του FOV. Η προβολή των κρυστάλλων, πάνω στην διάμετρο του συστήματος μικραίνει με αποτέλεσμα να παραμορφώνονται οι εικόνες στα άκρα του FOV, άμα κατάλληλοι αλγόριθμοι διόρθωσης δεν εφαρμοστούν. Επίσης, όσο πιο κοντά στην άκρη βρίσκεται η πηγή η γωνία μεταξύ της επιφάνειας των κρυστάλλων και τη των φωτονίων μεγαλώνει, οδηγώντας σε σφάλματα βάθους αλληλεπίδρασης (DOI). Τα προβλήματα αυτά εξομαλύνονται άμα η ακτίνα του κυλίνδρου είναι σημαντικά μεγαλύτερη από την ακτίνα του FOV. Αλλά με αυτό το τρόπο μειώνεται σημαντικά η ευαισθησία. Οι γεωμετρίες με ανεξάρτητες κεφαλές, στην απλή του μορφή, χρησιμοποιούν δύο ανιχνευτές χωρικά ευαίσθητους και μια μέθοδο ανακατασκευής εικόνας περιορισμένης γωνίας. Οι κεφαλές βρίσκονται εκατέρωθεν και μπορεί προαιρετικά να περιστρέφονται. Για ίδιο αριθμό ανιχνευτών, σε σχέση με τα κυλινδρικά συστήματα, έχουν τουλάχιστον διπλή ογκομετρική ευαισθησία το οποίο συνεπάγεται καλύτερες καμπύλες αντίθεσης και θορύβου. Αναπτύχθηκαν κυρίως στην δεκαετία του 70 ως μια προέκταση της κάμερας του Anger. Λίγα συστήματα είχαν αναπτυχθεί μέχρι την δεκαετία του 90 λόγω του υψηλού κόστους και των περιορισμένων εφαρμογών. Με την ανάπτυξη νέων ακτινοδιαγνωστικών προϊόντων, της ανάγκης λειτουργικής απεικόνισης μικρών ζώων και την πτώση του κόστους των υπολογιστών η απαίτηση για πολυμορφικά συστήματα PET μικρής κλίμακας επανέφερε δυναμική τις γεωμετρίες ανεξάρτητων κεφαλών, ιδιαίτερα δύο και τεσσάρων. Τα PET δύο είτε τεσσάρων ανεξάρτητων κεφαλών, όμως, λόγω της κοντινότερης απόστασης από την πηγή εκπομπής, μικρότερο μέγεθος και ευέλικτη γεωμετρία, μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην βέλτιστη εξειδικευμένη απεικόνιση και στην απεικόνιση μικρών ζώων. Σε άλλες περιπτώσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν εκεί που η χρήση της κυλινδρικής γεωμετρίας, μπορεί να είναι και αδύνατη. Ως συστήματα, έχουν βρει εφαρμογές, στην προκλινική απεικόνιση μικρών ζώων και στην ανερχόμενη κλινική εφαρμογή της Μαστογραφίας Ανίχνευσης Ποζιτρονίου (PEM - Positron Emission Mammography). Στην παρούσα διδακτορική διατριβή χρησιμοποιήθηκε για την αξιολόγηση των αλγορίθμων ανακατασκευής καθώς και την επαλήθευση των μοντέλων προσομοίωσης, ένα επίπεδο σύστημα PET δύο κεφαλών. Η σχεδίαση του συστήματος είναι προσαρμοσμένη στην απεικόνιση μικρών ζώων. Το σύστημα αναπτύχθηκε από την Detector and Imaging Group του Εθνικού Κέντρου Επιτάχυνσης "Thomas Jefferson" (USA) σε συνεργασία με το τμήμα Ιατρικών Οργάνων του ΤΕΙ Αθηνών. Βρίσκεται εγκατεστημένο στο Ινστιτούτο Ραδιοϊσοτόπων και Ραδιοδιαγνωστικών προϊόντων του ερευνητικού κέντρου "Δημόκριτος". Αποτελείτε από δύο κεφαλές, θωρακισμένες με Βολφράμιο πάχους 4 mm. Κάθε κεφαλή αποτελείτε από ένα χωρικά ευαίσθητο φωτοπολλαπλασιαστή (PSPMT) H8500 της Hamamatsu, μια μήτρα 20x20 κρυστάλλων LSO:Ce διαστάσεων 2x2x10 mm^3. Η Πρόσθια επιφάνεια του H8500 είναι 50x50 mm^2. Ανάμεσα στους κρυστάλλους υπάρχει λευκό ανακλαστικό υλικό 0.2 mm. Η σύζευξη μεταξύ του φωτοπολλαπλασιαστή και της μήτρας κρυστάλλων έγινε με γυαλί πάχους 5 mm. Λόγω του ότι η επιφάνεια της μήτρας είναι μικρότερη από του φωτοπολλαπλασιαστή το γυαλί έχει σχήμα τραπέζιο. Για την αναβάθμιση του συστήματος σε τομογραφικό κατασκευάστηκαν δύο ικριώματα. Το πρώτο ήταν φτιαγμένο από ξύλο και το δεύτερο από plexiglass. Τα υλικά επιλέχτηκαν για την μαγνητική τους συμβατότητα, το χαμηλό κόστος και την ευκολία στην αναπαραγωγή τους. Για την κατασκευή του χρησιμοποιήθηκε το ίδιο σχέδιο. Το οποίο βασίζεται σε δύο κυκλικές επιφάνειας ανάμεσα στις οποίες σταθεροποιούνται οι κεφαλές. Οι επιφάνειες, αυτές, περιστρέφονται πάνω σε δύο ράουλα, τα οποία είναι στερεωμένα σε μια κοινή βάση. Ο έλεγχος της κίνησης γίνεται με ένα βηματικό κινητήρα. Τα ικριώματα σχεδιάστηκαν με κύριο γνώμονα την εύκολη μεταβολή της απόστασης μεταξύ των κεφαλών, ώστε να μπορεί να προσαρμοστεί στις ανάγκες του κάθε πειράματος. Η ελάχιστη απόσταση που μπορούν να έχουν οι κεφαλές είναι τα 7 cm και η μέγιστη τα 14 cm. Στο σχέδιο προβλέφθηκαν υποδοχές για ακόμα δύο κεφαλές ώστε να μπορεί να μετατραπεί σε τετρακέφαλο PET. Το σύστημα μπορεί να καταγράψει προβολικές εικόνες χωρίς περιστροφή, με την χρήση του αλγορίθμου Focal Plane Tomography(FPT). Ο αλγόριθμός FPT χρησιμοποιεί το Πυθαγόρειο θεώρημα για υπολογίσει την απόσταση μεταξύ των συντεταγμένων που υπολογίζονται από τον τύπου του κέντρου βάρους, κάθε κεφαλής. Στην συνέχεια, το φωτόνιο κατανέμεται στην μέση της απόστασης μεταξύ των κεφαλών. Οι τελικές εικόνες απαντώνται στην βιβλιογραφία και ως "εικόνες σύμπτωσης" (coincidence images). Λόγω του, ο αλγόριθμος, κάνει την υπόθεση ότι η πηγή βρίσκεται ολόκληρη στην μέση της απόστασης μεταξύ των κεφαλών, παρουσιάζει καλή απόδοση, μόνο όταν η πηγή είναι αρκετά λεπτή σε σχέση με την απόσταση των κεφαλών και βρίσκεται στο κέντρο του FOV. Καθώς, όμως, η πηγή πλησιάζει στην μια από τις δύο κεφαλές η ευαισθησία, η ομοιομορφία πεδίου και ιδιαίτερα η χωρική διακριτική ικανότητα γρήγορα υποβαθμίζονται. Η αξιολόγηση του συστήματος σε στατική απεικόνιση έδειξε ότι όταν οι κεφαλές έχουν απόσταση 5 cm, η απόκριση του συστήματος είναι γραμμική μέχρι τα 3.5 ΜBq, στην οποία παρουσιάζεται ο κορεσμός. Η ενεργότατο αυτή κρίνεται επαρκής για όλες τις απεικονίσεις μικρών ζώων. Όταν η απόσταση μεταξύ των κεφαλών είναι μεγαλύτερη το σύστημα είναι γραμμικό για πάνω από 4 MBq. Ένα περιορισμός της μεθόδου παρουσιάζεται στην ευαισθησία του συστήματος. Σε απόλυτους αριθμούς, οι εικόνες σύμπτωσης έχουν λιγότερα γεγονότα στης μικρές αποστάσεις κεφαλών, παρόλο που η ροή φωτονίων από τη πηγή είναι αρκετά μεγαλύτερη. Αυτό συμβαίνει, λόγω της μέγιστης γωνίας αποδοχής. Η μέγιστη γωνία αποδοχής είναι η γωνία την οποία άμα έχει μια LOR τότε αυτή απορρίπτεται. Η οριακή, αυτή, κατάσταση χρησιμοποιείτε για να αντιμετωπιστούν τα έντονα φαινόμενα παραλλαγής (parallax) που θα εμφανίζονταν αλλιώς. Το φαινόμενο παραλλαγής παρουσιάζεται, λόγω του ότι οι ανιχνευτές είναι επίπεδη και ώς εκ' τούτου όταν η γωνία της LOR είναι μεγάλη τότε το $\gamma$-φωτόνιο μπορεί να περάσει μέσα από 1 είτε περισσότερους κρυστάλλους, πριν τελικά απορροφηθεί. Οδηγώντας σε σφάλμα στον εντοπισμό της πραγματικής του θέσης. Ένας άλλος λόγος που χρησιμοποιείτε η μέγιστη γωνία αποδοχής είναι ότι η ευαισθησία στο κέντρο του FOV είναι πολύ μεγαλύτερη. Οπότε άμα δεχόμασταν όλες τις LOR θα δημιουργούσαμε αλλοιώσεις στην τελική εικόνα. Η χωρική διακριτική ικανότητα του συστήματος σε στατική απεικόνιση είναι τα 2.5 mm και 1.9 mm σε τομογραφική. Για απόσταση κεφαλών 8 cm οι στατικές, όπως και οι τομογραφικές εικόνες έχουν ομοιόμορφη ευαισθησία στη κεντρική 4x4 cm^2 περιοχή. Στις άκρες η ομοιομορφία της ευαισθησίας πέφτει στο 10%. Με την λήψη διαδοχικών προβολών FPT, από διάφορες γωνίες γύρω από το FOV, ώστε κάθε προβολή να αποτελείτε από δεδομένα που λήφθηκαν σε μια συγκεκριμένη γωνία καταμήκος όλων των τομών, μπορούμε να υπολογίσουμε 2Δ ημιτονογράμματα. Τα ημιτονογράμματα στην συνέχεια μπορούν να ανακατασκευαστούν σε τομογραφικές τομές, με χρήση αλγορίθμων ανάλογων των SPECT συστημάτων. Συνέπεια του ότι για την κατασκευή των ημιτονογραμμάτων χρησιμοποιούνται οι προβολές FPT, είναι ότι οι περιορισμοί αυτής της μεθόδου κληροδοτούνται και στην τομογραφική ανακατασκευή. Επιπλέον, δεν είναι δυνατόν να γίνει 3Δ ανακατασκευή, γιατί η πληροφορία των LOR έχει χαθεί κατά την δημιουργία των εικόνων σύμπτωσης. Παρόλους τους περιορισμούς, στον στατικό και τομογραφικό αλγόριθμο, το σύστημα είναι ικανό να απεικονίσει μικρά ζώα με ακρίβεια. Για να καλυφθεί ολόκληρο το σώμα, μαζί με την ουρά, ενός μικρού ποντικιού χρειάζονται τρεις θέσεις κρεβατιού, αλλά όλες οι κύριες λειτουργικές δομές καλύπτονταισ με δύο θέσεις. Οι στατικές εικόνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν και εξαγωγή φαρμακοκινητικών μοντέλων, ενώ η τομογραφία με περιστροφή, για εξαγωγή εικόνων υψηλότερη ακρίβειας. Η γεωμετρία του πρωτότυπου συστήματος προσομοιώθηκε με την χρήση του πακέτου GATE (εκ. 6.0). Το GATE είναι μια εφαρμογή που βασίζεται σε τεχνικές Monte Carlo για την προσομοίωση φυσικών διαδικασιών. Επιπλέον, παρέχει μια σειρά από εργαλεία για την δημιουργία γεωμετριών που χρησιμοποιούνται σε συστήματα πυρηνική ιατρικής. Βιβλιογραφικά έχει βρει εφαρμογή στην μελέτη φυσικών διαδικασιών στην πυρηνική ιατρική, μελέτη/ανάπτυξη νέων συστημάτων, ανάπτυξη και αξιολόγηση αλγορίθμων ιατρικής ανακατασκευής εικόνας και μελέτες σχετικές με την οργανολογία στην πυρηνική ιατρική. Δύο μοντέλα δημιουργήθηκαν, επαληθεύτηκαν και μελετήθηκαν. Το πρώτο συμπεριλάμβανε την φυσική ραδιενέργεια του ^176Lu, που βρίσκεται μέσα στους κρυστάλλους LSO:Ce. Ενώ στο δεύτερο μοντέλο η ενεργότατο αυτή παραλήφθηκε. Η προεπιλογή του GATE είναι να μην την συμπεριλαμβάνει. Η συγκέντρωση της φυσικής ραδιενέργειας του $^{176}$Lu βρέθηκε στην βιβλιογραφία ως 277Bq/cm^3. Η ραδιενέργεια αυτή κατανεμήθηκε ομοιόμορφα μέσα στον συνολικό όγκο της μήτρας των κρυστάλλων, λαμβάνοντας υπόψιν τον όγκο των διαχωριστικών. Τα δύο μοντέλα επαληθεύθηκαν με την χρήση των πειραματικών δεδομένων, της αξιολόγησης του συστήματος, σε όρους ρυθμού γεγονότων σκότους, ρυθμού γεγονότων με πηγή (cps), κλάσματος σκεδαζόμενων (sf). Για να επαληθεύσουν τα πειραματικά δεδομένα, τα δύο μοντέλα έπρεπε να χρησιμοποιηθεί διαφορετικός νεκρός χρόνος (dead time). Παρότι η ενεργότητα του ^176Lu ήταν αρκετά μικρότερη από αυτή της πηγής. Στις ενεργότητες κάτω από 100 kBq η επιρροή από την φυσική ραδιενέργεια του ^176Lu, γίνεται σημαντική και τα αποτελέσματα των δύο μοντέλων αποκλίνουν σημαντικά. Ενεργότητες αυτού του επιπέδου δεν είναι σπάνιο να βρεθούν σε απεικονίσεις μικρών ζώων, ιδιαίτερα σε περιστροφικά συστήματα που η τομογραφική λήψη δεδομένων γίνεται σειριακά. Συνεπώς, η ελάχιστη ανιχνεύσιμη ενεργότητα μεταξύ των δύο μοντέλων διαφέρει σημαντικά. Αποκλίσεις παρατηρούνται και στην καμπύλη NECR. Στην οποία τα δυο μοντέλα ταυτίζονται στο γραμμικό κομμάτι της απόκρισης του συστήματος αλλά δεν αποκλίνουν και στο σημείο της κορυφής. Καθώς ανεβαίνει η ενεργότητα της πηγής και ο νεκρός χρόνος της κάμερας γίνεται πιο σημαντικός για την καταγραφή των δεδομένων. Έτσι, το μοντέλο που ο νεκρός χρόνος είναι μεγαλύτερος υποεκτιμάει τα ανιχνευθέντα γεγονότα. Αποκλίσεις παρατηρούνται και στην γραμμική περιοχή καθώς η έλλειψη της φυσικής ραδιενέργειας ενισχύει την εκτίμηση της χωρικής διακριτικής ικανότητας και τον λόγω σήματος προς θορύβου. Με αναλυτική διερεύνηση της προέλευσης των ανιχνευθέντων φωτονίων στα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, συμπεράναμε ότι με την χρήση υψηλού κατωφλίου στους ανιχνευτές και διευρυμένου ενεργειακού παραθύρου βελτιώνει την ευαισθησία του συστήματος σε όρους NECR, αφού περισσότερα αληθή γεγονότα ανιχνεύονται ενώ τα τυχαία και σκεδασμένα φωτόνια απορρίπτονται από νωρίς, χωρίς να επιβαρύνουν περαιτέρω τον νεκρό χρόνο του συστήματος. Διερεύνηση με όρους SNR, με την επιπλέον προσθήκη κυλίνδρου με διάμετρο 4 cm, ως σκεδαστή έδειξαν ότι ο βέλτιστος λόγος σήματος προς θόρυβο επιτυγχάνεται όταν το κατώφλι του ενεργειακού παραθύρου είναι 350 keV. Κάτω από αυτό το όριο τα σκεδασμένα αυξάνονται σημαντικά και πιο πάνω μεγάλο μέρος από αληθή γεγονότα, απορρίπτονται. Χρησιμοποιώντας μια γραμμική πηγή, η ελάχιστη ανιχνεύσιμη ενεργότητα προσδιορίστηκε 12.4 MBq, χρησιμοποιόντας τις ρυθμίσεις που αναφέρθηκαν προηγουμένως. Χρησιμοποιώντας ένα πιο πολύπλοκο ομοίωμα η ελάχιστη ενεργότητα περιμένουμε να πάρει μεγαλύτερες τιμές. Προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν ώστε να προσδιοριστεί και η επίδραση ενός σταθερού μαγνητικού πεδίου στις επιδόσεις του συστήματος. Το μαγνητικό πεδίο είχε τιμές 1.5, 3.0, 7.0 και 9.0 T που είναι συνήθεις τιμές που βρίσκονται σε εμπορικά συστήματα MRI. Το πεδίο εφαρμόστηκε κατά τον διαμήκη άξονα z. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι όταν δεν υπάρχει γύρω από την πηγή αρκετό υλικό (π.χ. νερό) ώστε να προκαλέσει εξαϋλώσεις των ποζιτρονίων, τότε η ελάχιστη ανιχνεύσιμη ενεργότητα βελτιώνεται σημαντικά. Αυτό συμβαίνει διότι το μαγνητικό πεδίο μειώνει την μέση απόσταση εξαΰλωσης. Με συνέπεια λιγότερα ποζιτρόνια να δραπετεύουν. Η παρατήρηση αυτή έχει σημαντικές βελτιώσεις στην απεικόνιση μικρών όγκων εντός των πνευμόνων, είτε σε όγκους που βρίσκονται στην επιδερμίδα. Τα αποτελέσματα επίσης έδειξαν ότι η διακριτική ικανότητα βελτιώνεται σημαντικά. Με σκοπό την απαλοιφή των περιορισμών της ανακατασκευής με χρήση διαδοχικών προβολών FPT γύρω από το FOV μελετήθηκε η χρήση του πακέτου STIR. Το STIR είναι μια εργαλειοθήκη λογισμικών με σκοπό την ιατρική ανακατασκευή εικόνων PET. Παρέχει πολλά φίλτρα και εργαλεία για την βελτίωση της εικόνας, αλλά στα πλαίσια της διατριβής χρησιμοποιήθηκε μόνο ο αλγόριθμος OSEM. Λόγω του ότι το STIR υποστηρίζει μόνο ανακατασκευή εικόνας σε κυλινδρικές γεωμετρίες, βρέθηκε τρόπος να ταξινομηθούν τα δεδομένα με συμβατό τρόπο. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν οι πολικές συντεταγμένες του κάθε κρυστάλλου σε σχέση με την ακτίνα περιστροφής και την γωνία από την οποία λαμβάνουν δεδομένα οι κεφαλές. Με βάση αυτή την συνάρτηση τα δεδομένα κατανεμήθηκαν σε 3Δ ημιτονογράμματα. Λάβαμε υπ' όψιν μια τυπική διόρθωση εξασθένησης, υποθέτοντας ότι στο FOV υπάρχει μόνο αέρας. Η διόρθωση αυτή έγινε μαθηματικά οπισθοπροβάλοντας τον συντελεστή εξασθένησης του αέρα σε 3Δ ημιτονογράμματα. Για τ