Στην Πυρηνική Ιατρική, κατά τη διαδικασία ιατρικής απεικόνισης, η κίνηση των οργάνων λόγω της αναπνευστικής λειτουργίας και της σύσπασης του μυοκαρδίου αλλά και των υπόλοιπων κινούμενων οργάνων, δημιουργεί αλλοιώσεις στη διαγνωστική πληροφορία. Η σημαντικότερη αλλοίωση παρατηρείται στον καθορισμό των ορίων συγκεκριμένων οργάνων. Η μελέτη και η ποσοτικοποίηση του φαινομένου καθίσταται αναγκαία στα ευρέως χρησιμοποιούμενα κλινικά πρωτόκολλα πυρηνικής απεικόνισης (SPECT, PET). Το πακέτο προσομοιώσεων Gate είναι ένα πολύ δυνατό εργαλείο που παρέχει τη δυνατότητα ρεαλιστικής μοντελοποίησης συστημάτων πυρηνικής ιατρικής και χρήσης διακριτοποιημένων ομοιωμάτων. Με τη βοήθεια αυτού του εργαλείου και κάνοντας χρήση διακριτοποιημένων ομοιωμάτων XCAT και ITIS μπορούν να προσομοιωθούν ρεαλιστικά κλινικές εξετάσεις που επηρεάζονται από την κίνηση οργάνων. Τα XCAT και ITIS είναι ρεαλιστικά και ευέλικτα μοντέλα ανθρώπινης ανατομίας και φυσιολογίας. Τα XCAT παρέχουν την επιπλέον δυνατότητα της εισαγωγής κίνησης. Αυτή η μελέτη είναι σημαντική, καθώς πολλές ομάδες της επιστημονικής κοινότητας ασχολούνται με την παραγωγή αλγορίθμων διόρθωσης της κίνησης των πνευμόνων και της καρδιάς, κάνοντας χρήση προσομοιώσεων Monte Carlo, με σκοπό τη βελτίωση της απεικόνισης σημαντικών ιατρικών πληροφοριών που αλλοιώνονται λόγω της κίνησης. Οι προσομοιώσεις κλινικών εξετάσεων με το GATE, εισάγοντας ρεαλιστικά ανθρώπινα ομοιώματα, είναι μια μεθοδολογία αιχμής η οποία ανοίγει το δρόμο στη βελτιστοποίηση των διαγνωστικών και θεραπευτικών προσεγγίσεων, παρέχοντας ένα ισχυρό εργαλείο για το σχεδιασμό κλινικών πρωτοκόλλων, την ανάπτυξη διορθωτικών αλγορίθμων και τη μοντελοποίηση παραμέτρων όπως η κίνηση του σώματος εξαιτίας της λειτουργίας της καρδιάς καθώς και του αναπνευστικού συστήματος. / In nuclear medicine, during medical imaging procedures, organs' motion creates artifacts and loss in the diagnostic information, due to respiratory motion and myocardial contraction. The most significant challenge is to define the limits of specific organs and quantify the blurring caused by this motion. The study and quantification of this phenomenon is necessary for clinical protocols used in nuclear imaging (SPECT, PET), so as to achieve accurate diagnosis. GATE is a powerful Monte Carlo simulation toolkit, which enables the realistic modeling of a nuclear imaging system, using voxelized phantoms as input. Using this tool and computational anthropomorphic phantoms such as XCAT and ITIS phantom series can simulate realistically clinical tests. XCAT and ITIS are realistic and flexible models of human anatomy and physiology. XCAT provide the additional capability of importing motion. In the present thesis the XCAT and the ITIS anthropomorphic computational phantoms are used in a series of simulations modeling several clinical cases. Several groups in the scientific community are dealing with the development of motion correction algorithms in order to decrease the blurring in specific organs of interest and to increase the diagnostic value of nuclear imaging. Monte Carlo techniques combined with realistic human models can provide the ground truth for such applications. This is a cutting edge methodology that paves the way for optimization of diagnostic and therapeutic approaches, providing a powerful tool for the design of clinical protocols, developing algorithms and modeling parameters such as body movement due to pulmonary and heart motion.

Absolute quantification of the 3D distribution of a radionuclide within a patient has been one of the greatest challenges of nuclear medicine. This is due to the fact that nuclear medicine images are degraded by several factors, which limit the quantitative ability of this modality. Quantitative SPECT has wide applications in many areas in nuclear medicine from radiation dosimetry calculations to clinical applications. It has use in image analysis studies to extract information about areas, volumes, and/or amounts of radioactivity in specific regions of interest. The information that derived from these studies is then applied to estimate radiation dosimetry, volumes or to aid in clinical diagnoses. Absolute quantitation means precise and accurate measurements of volume and the amount of radioactivity in a specific region of interest. For absolute quantitation of volume the measurements can be expressed in cubic centimetres, for radioactivity in μCi or Bq. Quantitation of organ volumes using planar imaging technique is a procedure often performed in nuclear medicine but face difficulties due to structure containing radioactivity, which overlie or underlie the organ of interest. SPECT overcomes these difficulties since it is able to separate these structures in the reconstructed images, which have higher contrast than planar images. In the theoretical part of this work, there is a description of the operation and the characteristics of a gamma camera system. Following that, there is a mention to the quality control procedures of the system both for planar and SPECT techniques. Also, there is an extended discussion of the factors that affect to the image quantitation and the corrections that must be applied in order to achieve better volume and activity estimation. At the end of the theoretical part, there is a presentation of procedure for volume and activity quantitation on I-131 sources using threshold technique. In the practical part, there is a study on volume and activity quantitation for I-131 sources with volumes 0.5,1,5,8,10,20 and activities from 300 to 529 μCi using threshold technique. The practical part of this work was performed in the department of Nuclear Medicine of the “THEAGENION” Cancer Institute of Thessaloniki (Greece), with association with the department of Medical Physics. / Η απόλυτη ποσοτικοποίηση της κατανομής ενός ραδιοφαρμάκου στον ασθενή, είναι μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στην πυρηνική ιατρική, καθώς οι εικόνες από τη γ-κάμερα υποβαθμίζονται από διάφορους παράγοντες, που περιορίζουν την ικανότητα ποσοτικοποίησης. Η ποσοτικοποίηση μέσω SPECT έχει πολλές εφαρμογές στην πυρηνική ιατρική, στο διαγνωστικό τομέα και στο θεραπευτικό στη δοσιμετρία. Χρησιμοποιείται κατά την ανάλυση των εικόνων με σκοπό τον προσδιορισμό όγκων και την μέτρηση ραδιενέργειας σε συγκεκριμένες περιοχές ενδιαφέροντος. Η απόλυτη ποσοτικοποίηση σημαίνει σαφή και όσο το δυνατόν, ακριβή μέτρηση όγκου και ραδιενέργειας σε κάποια περιοχή ενδιαφέροντος. Ο όγκος μπορεί να εκφραστεί σε κυβικά εκατοστά και η ραδιενέργεια σε μCi ή Bq. Η ποσοτικοποίηση του όγκου των οργάνων, χρησιμοποιώντας planar τεχνικη, είναι μια διαδικασία που χρησιμοποιείται συχνά στην πυρηνική ιατρική. Παρ’όλα αυτά αντιμετωπίζει δυσκολίες λόγω των δομών, που βρίσκονται πάνω και κάτω από την περιοχή ενδιαφέροντος, και περιέχουν ραδιενέργεια. Το SPECT αντιμετωπίζει αυτές τις δυσκολίες, αφού έχει τη δυνατότητα να ξεχωρίσει αυτές τις δομές, στις εικόνες που έχουν ανακατασκευαστεί, και να τις παρουσιάσει με μεγαλύτερη αντίθεση από την planar τεχνική. Στο θεωρητικό μέρος της εργασίας γίνεται περιγραφή των χαρακτηριστικών και της λειτουργίας του απεικονιστικού συστήματος της γ-camera. Ακολουθεί η περιγραφή των διαδικασιών ποιοτικού έλεγχου του συστήματος τόσο για την Planar όσο και για την SPECT τεχνική. Στη συνέχεια, γίνεται παρουσίαση της μεθόδου ποσοτικοποίησης όγκου και ραδιενέργειας, στην περίπτωση πηγών Ι-131, εφαρμόζοντας την τεχνική κατωφλίου, ανάλυση των παραγόντων που την επηρεάζουν, καθώς και των διορθώσεων, που πρέπει να γίνονται, ώστε να επιτυγχάνεται η όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ακρίβεια. Στο πειραματικό μέρος της εργασίας γίνεται εφαρμογή της παραπάνω μεθόδου σε πηγές Ι-131, όγκου 0.5-20 ml ραδιενέργειας 300-529μCi και σύγκριση των αποτελεσμάτων. Η συγκεκριμένη εργασία εκπονήθηκε στο Τμήμα Πυρηνικής Ιατρικής του ΑΝΘ ‘’ΘΕΑΓΕΝΕΙΟ’’ σε συνεργασία με το Τμήμα Ιατρικής Φυσικής του Νοσοκομείου.

- / -

In 3D positron emission tomography the scatter effect is a significant physical factor degrading image quality. The advancements in computing that occurred the last decades al lowed us to simulate the scatter coincidences fast and ef ficiently. The main concern now is how accurately do we simulate the scatter events. The scope of this project is the implementation and the evaluation of a scatter simulation algorithm that would be able to simulate the scat ter ef fect more precisely than the existing ones. One way to simulate the scatter distribut ion is with an algorithm, first published by Watson and Ollinger, that is based on the Klein-Nishina formula. These methods have been implemented taking into account only the single scatter events (where a photon scatters once in the at tenuation medium). Multiple scatter is generally taken into account by some scaling or filtering procedure. Their main advantages are short computational time and relatively good precision compared to previous more heuristical methods. Although these single scatter algorithms have been effective there are cases where their results are not that accurate. For low energy thresholds and large at tenuation mediums multiple scatter is increased. Given that a significant percentage of people are over -weight (thus the at tenuation medium has large volume) we should consider introducing multiple scatter events in our simulations. Moreover, the distribut ion of all scatter events is broader than the one of single scatter events therefore even if the single scatter distribution is scaled it will not match the total scatter one. In previous work by C. Tsoumpas et al, a new scatter simulation algorithm was developed that attempts to approximate the total scatter distribution by taking into account the case where the one annihilated photon is scattered twice and the case where both annihilated photons are scattered once. These two cases describe the double scatter events and by introducing them into our scatter simulation algorithm we aim to obtain a better approximation of the total scatter distribution. In this thesis we have improved this double scatter simulation algorithm in two important ways. When both annihilated photons scatter they acquire a favourable polarization direction with respect to each other and this influences thei r detect ion probabilities, especially when low energy photons are detected. In the algorithm that we implemented we considered this effect by using the polarized Klein-Nishina formula for this case. In addition, we investigated and validated the need to introduce extra solid angle factors in the implementation. The whole implementation is based on the STIR library (Software for Tomographic Image Reconstruction) written in the C++ programming language. Scatter events can also be simulated by Monte Carlo simulation packages such as SimSET. SimSET is a public domain package designed to simulate positron emission tomography (PET) (and Single Photon Emission Tomography) and was used extensively in this project. Monte Carlo packages because of their ability to exclude any unknown physical parameter they can simulate physical processes like the ones that take place in PET very accurately. Thus they were essential for the evaluation of our scatter correction algorithm. The reason why Monte Carlo packages are not used inclinical practice instead of the model-based methods is that they demand a large computational time. Besides Monte Carlo packages we also per formed a series of experimental scans in order to evaluate our scatter simulation algorithm. The tomograph used for the experiments was the ECAT 962 used in a 3D mode. / -

La tomoscintigraphie myocardique est considérée comme un examen de référence pour le diagnostic et l'évaluation de la maladie coronarienne. Mise au point dans les années 1980, cette technique est en pleine mutation depuis l'arrivée de nouvelles caméras à semi-conducteurs. Deux caméras à semi-conducteurs, dédiées à la cardiologie nucléaire et utilisant des détecteurs de Cadmium Zinc Telluride sont actuellement commercialisées : la Discovery NM-530c (General Electric) et la DSPECT (Spectrum Dynamics). Les performances de ces caméras CZT ont été évaluées : 1) à la fois sur fantôme et sur des examens d'effort provenant de patients à faible probabilité de maladie coronaire, et 2) avec les paramètres d'acquisition et de reconstruction utilisés en clinique. Les résultats ont démontré la nette supériorité des caméras CZT en termes de sensibilité de détection, de résolution spatiale et de rapport contraste sur bruit par rapport à la génération de caméras d'Anger. Ces propriétés vont permettre de diminuer très fortement les temps d'acquisition et les activités injectées, tout en améliorant la qualité des images. Néanmoins, on connaît encore mal les limites et possibles artéfacts liés à la géométrie particulière d'acquisition. C'est pourquoi nous avons développé, avec la plateforme de simulations Monte Carlo GATE, un simulateur numérique spécifique de la caméra DSPECT. Nous avons pu ensuite le valider en comparant des données effectivement enregistrées aux données simulées. Ce simulateur pourrait aider à optimiser les protocoles de reconstruction et d'acquisition, en particulier les protocoles les plus complexes (acquisitions double traceur, études cinétiques) / Myocardial single-photon emission computed tomography (SPECT) is considered as the gold standard for the diagnosis of coronary artery disease. Developed in the 1980s with rotating Anger gamma-cameras, this technique could be dramatically enhanced by new imaging systems working with semi-conductor detectors. Two semiconductor cameras, dedicated to nuclear cardiology and equipped with Cadmium Zinc Telluride detectors, have been recently commercialized: the Discovery NM- 530c (General Electric) and the DSPECT (Spectrum Dynamics). The performances of these CZT cameras were compared: 1) by a comprehensive analysis of phantom and human SPECT images considered as normal and 2) with the parameters commonly recommended for SPECT recording and reconstruction. The results show the superiority of the CZT cameras in terms of detection sensitivity, spatial resolution and contrast-to-noise ratio, compared to conventional Anger cameras. These properties might lead to dramatically reduce acquisition times and/or the injected activities. However, the limits of these new CZT cameras, as well as the mechanism of certain artefacts, remain poorly known. That?s why we developed, with the GATE Monte Carlo simulation plateform, a specific simulator of the DSPECT camera. We validated this simulator by comparing actually recorded data with simulated data. This simulator may yet be used to optimize the recorded and reconstruction processes, especially for complex protocols such as simultaneous dual-radionuclide acquisition and kinetics first-pass studies

- / -

- / -

Η Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίων, η οποία συχνά αναφέρεται με βάση το ακρωνύμιό της, PET (Positron Emission Tomography), αποτελεί μία πρωτοποριακή τεχνική απεικόνισης η οποία παρέχει εγκάρσιες τομές της λειτουργίας των διαφόρων δομών του ανθρωπίνου σώματος. Η Τομογραφία PET επιτρέπει την μεταβολική απεικόνιση αυτών των δομών (σε αντίθεση με τις ακτίνες-Χ και την Υπολογιστική Τομογραφία (CT – Computer Tomography) οι οποίες παρέχουν ανατομική απεικόνιση), σε μοριακό επίπεδο, και αυτός είναι ο λόγος που συχνά η Τομογραφία PET αναφέρεται ως μοριακή απεικόνιση. Ειδικότερα, οι τομογράφοι PET για μικρά ζώα (Small Animal PET) οι οποίοι απαιτούν ιδιαίτερα υψηλή διακριτική ικανότητα, διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην βιολογία και στις in-vivo μελέτες της φαρμακοκινητικής των ιχνηθετών και του μεταβολισμού. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία έχουν αναφερθεί διάφοροι τύποι τομογράφων PET, στους οποίους χρησιμοποιήθηκαν διάφοροι τύποι ανιχνευτικών διατάξεων, με διαφορετικό σχεδιασμό σε κάθε περίπτωση. Η τεχνολογία αυτών των τομογράφων βασίζεται στη χρήση μικρών ανόργανων κρυστάλλων, κυρίς αποτελούμενων από BGO, GSO και LSO, οι οποίοι σχηματίζουν ένα block στο οποίο έχει προσαρτηθεί ένας φωτοπολλαπλασιαστής είτε με ευαισθησία θέσης (PS – PMT: Position Sensitive PhotoMultiplier Tube), είτε με πολλαπλές ανόδους (multianode PMT). To BGO (Bismuth Germanate Oxide) είναι το υλικό που χρησιμοποιείται σε αρκετούς εμπορικούς Τομογράφους, έχοντας πλέον αντικαταστήσει το ιωδιούχο νάτριο (ΝαΙ). Ένα πρότυπο σύστημα small animal PET χαμηλού κόστους βρίσκεται υπό ανάπτυξη, προκειμένου να μελετήσουμε τα επιμέρους σχεδιαστικά χαρακτηριστικά του και να μετρήσουμε την απόδοσή του. Ο βασικός block ανιχνευτής αποτελείται από μία 16×16 διάταξη επιμέρους BGO κρυστάλλων διαστάσεων 3.75×3.75×20 mm3, ο οποίος έχει τοποθετηθεί με ειδική διεργασία στην επιφάνεια ενός Hamamatsu R-2486 PSPMT. Με τη χρήση κατάλληλων ηλεκτρονικών διατάξεων και την ανάπτυξη ειδικού λογισμικού πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις της απόδοσης των επιμέρους ανιχνευτών καθώς επίσης και μετρήσεις σχετικές με τους φωτοπολλαπλασιαστές. / Positron Emission Tomography, often referred to by its acronym, PET, is an emerging radiologic modality that yields transverse tomographic images of functioning organs in the human body. PET enables the metabolic imaging of organs (as opposed to the anatomic imaging provided by techniques such as the X-ray imaging or the Computerized Tomography (CT)), in molecular level, and this is the reason why it is characterized as molecular imaging. Especially, small animal PET tomographs which require high spatial resolution can play an important role in biology and studies of in vivo tracer pharmacokinetics and metabolism. Various implementations have been reported in the literature using a variety of detector and design technologies. The basic technology for these scanners is based on small inorganic crystals, mainly from BGO, GSO, and LSO, forming detector blocks read out by position sensitive and multianode PMTs. BGO is the material used in a lot of commercial scanners, having replaced NaI, mainly because BGO has higher stopping power and it is not hygroscopic. We have been developing a low-cost small animal PET prototype, in order to study specific design characteristics and measure its performance. The basic block detector design consists of a 16×16 array of 3.75×3.75×20 mm3 individual BGO crystals coupled to a Hamamatsu R-2486 PSPMT. Measurements of the individual detector performance as well as measurements of the PSPMTs have been performed.

Ο γενικός σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν να προτείνει μια νέα μέθοδο για την πλήρη περιγραφή των χαρακτηριστικών ποιότητας εικόνας και την βελτιστοποίηση της Τομογραφίας Εκπομπής Ποζιτρονίων (PET) αναπτύσσοντας ένα μοντέλο Monte Carlo. Υλικά και Μέθοδοι: Η μέθοδος αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας τον κώδικα Monte Carlo (GEANT4 Application For Tomographic Emissions) του GEANT4 με το πακέτο λογισμικού GATE που αναπτύχθηκε από την Open-GATE collaboration. Για την ανακατασκευή των εικόνων χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό STIR και για τη λήψη των δεδομένων της ανακατασκευής, από το GATE, χρησιμοποιήθηκε μια συστοιχία από 12 επεξεργαστές Dual Core Intel (R) Xeon (TM) 3.00GHz (Supermicro SuperServer 6015B-UR/NTR, Αγγλία). Ο σαρωτής PET που προσομοιώθηκε σε αυτή τη μελέτη ήταν ο General Electric Discovery-ST (ΗΠΑ). Το μοντέλο GATE πιστοποιήθηκε μέσω της σύγκρισης των αποτελεσμάτων που ελήφθησαν με δημοσιευμένα αποτελέσματα (Bettinardi et al 2004, Mawlawi et al 2004) τα οποία ακολουθούν το πρωτόκολλο της NEMA-NU-2 2001. Οι εικόνες ανακατασκευάστηκαν με τρεις μεθόδους, αρχικά με τη 2D φιλτραρισμένη οπισθοπροβολή (FBP2D), στη συνέχεια με τη μέθοδο της 3D φιλτραρισμένης οπισθοπροβολής (FPB3DRP), των Kinahan και Rogers, και τέλος με χρήση επαναληπτικών αλγορίθμων (MLE-OSMAPOSL). Αρχικά έγινε προσδιορισμός της Συνάρτησης Μεταφοράς Διαμόρφωσης (MTF) για την αξιολόγηση της ποιότητας εικόνας συστημάτων PET. Η αξιολόγηση έγινε μέσω της προσομοίωσης μιας νέας επίπεδης πηγής Λεπτού Χρωματογραφικού Φιλμ (Thin Layer Chromatography-TLC) το οποίο αποτελείται από ένα στρώμα Διοξειδίου του Πυριτίου και υποστρώματα φύλλου Αλουμινίου, εμβαπτισμένο σε 18F-FDG με ενεργότητα 44.4MBq. Η αξιολόγηση της MTF έγινε μέσω των ανακατασκευασμένων εικόνων της επίπεδης πηγής κάνοντας χρήση του λογισμικού STIR. Η αξιολόγηση της MTF πραγματοποιήθηκε επίσης: α) σε τρεις διαστάσεις (3D), τοποθετώντας την επίπεδη πηγή σε οριζόντια και σε κάθετη κατεύθυνση (διαστάσεις πηγής οριζόντια και κάθετα 5x10 εκατοστά), β) με σάρωση πηγής μεγαλύτερου πλάτους, ανακατασκευάζοντας την εγκάρσια τομή της (διαστάσεις 18x10cm) και γ) από ανακατασκευασμένες εικόνες σημειακής πηγής. Να τονίσουμε εδώ ότι η παρούσα μελέτη είχε ως στόχο να συγκρίνει την προτεινόμενη μέθοδο (αξιολόγηση της MTF μέσω επίπεδης πηγής) με την πιο παραδοσιακή τεχνική που βασίζεται σε σημειακές πηγές. Στη συνέχεια έγινε προσδιορισμός της Ανιχνευτικής Κβαντικής Αποδοτικότητας (DQE) για την εκτίμηση της συνολικής απόδοσης του συστήματος PET, μέσω υπολογισμού της Συνάρτησης Μεταφοράς Διαμόρφωσης και του Κανονικοποιημένου Φάσματος Ισχύος Θορύβου (NNPS). Οι καμπύλες της MTF υπολογίστηκαν από την ανακατασκευή των εγκάρσιων τομών της επίπεδης πηγής (1 MBq), ενώ το NNPS υπολογίστηκε από τις αντίστοιχες στεφανιαίες τομές. Οι εικόνες ανακατασκευάστηκαν εφαρμόζοντας επαναληπτικούς αλγόριθμους (MLE-OSMAPOSL), χρησιμοποιώντας διάφορα υποσύνολα των προβολών (subsets) (3 έως 21) και επαναλήψεων (iterations) (1 έως 20). Επιπλέον, η αξιολόγηση της DQE έγινε μέσω διερεύνησης της επίδρασης διαφόρων κρυστάλλων σπινθηριστών στην διακριτική ικανότητα (MTF) και τον θόρυβο (NNPS) των ανακατασκευασμένων εικόνων του PET. Σε αυτή την περίπτωση, ο αλγόριθμος ανακατασκευής της εικόνας MLE-OSMAPOSL, υλοποιήθηκε χρησιμοποιώντας 15 subsets και 3 iterations. Αποτελέσματα και Συζήτηση: Τα αποτελέσματα της πιστοποίησης μέσω σύγκρισης με δημοσιευμένα αποτελέσματα είναι τα ακόλουθα: Η Διακριτική Ικανότητα (Spatial Resolution, SR) στο Πλήρες Εύρος στο Ήμιση του Μέγιστου (Full Width at Half Maximum - FWHM) βρέθηκε να έχει απόκλιση μικρότερη από 3,29% σε λειτουργία 2D και μικρότερη από 2,51% σε λειτουργία 3D, σε σχέση με δημοσιευμένα πειραματικά αποτελέσματα (Mawlawi et al 2004), αντιστοίχως. Οι τιμές 2D, για την Ευαισθησία (Sensitivity), το Ποσοστό Σκέδασης (Scatter Fraction-SF) και την Απόδοση του Ρυθμού Μέτρησης (Count-Rate), τα οποία ελήφθησαν ακολουθώντας το πρωτόκολλο της NEMA NU 2-2001, βρέθηκαν να διαφέρουν λιγότερο από 0,46%, 4,59% και 7,86%, αντίστοιχα με τα δημοσιευμένα πειραματικά αποτελέσματα (Mawlawi et al 2004). Ακολούθως, οι αντίστοιχες τιμές σε λειτουργία 3D βρέθηκαν να διαφέρουν λιγότερο από 1,62%, 2,85% και 9,13%, αντίστοιχα, με τα δημοσιευμένα πειραματικά αποτελέσματα (Mawlawi et al 2004). Η ευαισθησία επιπλέον εκτιμήθηκε χωρίς την παρουσία υλικού εξασθένησης, προσομοιώνοντας απευθείας μια ιδανική πηγή. Οι διαφορές που προέκυψαν μεταξύ της ιδανικής πηγής και της μεθοδολογίας κατά NEMA-NU-2 2001 κυμαίνονται από 0,04% έως 0,82% (ακτινική θέση R = 0cm) σε λειτουργία 2D και από 0,52% έως 0,67% σε λειτουργία 3D (ακτινικές θέσεις R = 10cm). Συνεπώς κάνοντας χρήση αυτής της μεθόδου, η ευαισθησία μπορεί να προσδιοριστεί με πιο απλοποιημένη και γρήγορη διαδικασία. Οι τιμές του Ρυθμού Μέτρησης Ισοδύναμου Θορύβου (Noise Equivalent Count Rate-NECR) που προέκυψαν ήταν 94.31kcps σε 2D και 66.9kcps σε 3D στα 70 και 15kBq/mL αντίστοιχα, σε σύγκριση με τα δημοσιευμένα αποτελέσματα τα οποία ήταν 94.08kcps σε 2D και 70.88kcps σε 3D στα 54.6kBq/mL και 14kBq/mL αντίστοιχα. Οι τιμές για την ποιότητα εικόνας βρέθηκαν σε εξαιρετική συμφωνία με τα δημοσιευμένα αποτελέσματα. Αφού ολοκληρώθηκε η πιστοποίηση του μοντέλου έγινε υπολογισμός της MTF. Οι τιμές MTF που προέκυψαν από την ανακατασκευή με τον αλγόριθμο FBP2D βρέθηκαν σε εξαιρετική συμφωνία με αυτές που προέκυψαν από την ανακατασκευή με τον αλγόριθμο FBP3DRP, ενώ οι αντίστοιχες τιμές μέσω του αλγόριθμου MLE-OSMAPOSL ήταν σε όλο το φάσμα των χωρικών συχνοτήτων υψηλότερες σε σχέση με τους αλγόριθμους οπισθοπροβολής (FBP). Η προσομοίωση της μεγάλης επίπεδης πηγής με αλγορίθμους οπισθοπροβολής έδειξε ότι οι τιμές της MTF ελαττώνονται σταδιακά από το κέντρο προς τα άκρα του οπτικού πεδίου (Field Of View-FOV). H MTF, της κάθετης τομής, διέφερε ελάχιστα σε σχέση με την οριζόντια. Η σύγκριση της επίπεδης πηγής με τη σημειακή πηγή έδειξε ότι η πρώτη είναι λιγότερη ευαίσθητη στο θόρυβο (SD = 0,0031 και 0,0203, αντίστοιχα). Η αξιολόγηση της DQE μέσω επαναληπτικών αλγορίθμων MLE-OSMAPOSL έδειξε ότι η απόδοση του συστήματος βελτιώνεται όσο αυξάνεται ο αριθμός των επαναλήψεων μέχρι μια μέγιστη τιμή (12 iterations) και παρέμενε αναλλοίωτη από εκεί και έπειτα. Επιπλέον, η μεταβολή του αριθμού των subsets δεν είχε επίδραση στην MTF, για ίσο αριθμό επαναλήψεων. Αντίστοιχα τα επίπεδα θορύβου (NNPS) μειώθηκαν με την αύξηση του αριθμού των iterations και των subsets. Με βάση τα προηγούμενα οι τιμές της DQE επηρεάστηκαν τόσο από την MTF όσο και από το NNPS και βρέθηκαν να αυξάνουν με την αντίστοιχη αύξηση του αριθμού των iterations και των subsets. Τέλος, ο ανιχνευτής PET στον οποίο τοποθετήθηκαν κρύσταλλοι LuAP, παρείχε τις βέλτιστες τιμές MTF σε οπισθοπροβολή 2D και 3D ενώ η αντίστοιχη διαμόρφωση με κρυστάλλους BGO παρείχε τις βέλτιστες τιμές MTF μετά την ανακατασκευή με MLE-OSMAPOSL. Αντίστοιχα, ο ανιχνευτής με κρυστάλλους BGO είχε τα χαμηλότερα επίπεδα θορύβου και τις υψηλότερες τιμές DQE μετά από την εφαρμογή όλων των αλγόριθμων ανακατασκευής. Συμπερασματικά: Η παρούσα μελέτη έδειξε ότι η συνολική απόδοση συστημάτων PET μπορεί να χαρακτηριστεί πλήρως, να βελτιωθεί περαιτέρω και να γίνει πιο απλή με τη διερεύνηση των διαφόρων στοιχείων της αλυσίδας απεικόνισης μέσω μεθόδων Monte Carlo. Η μέθοδος αξιολόγησης ανιχνευτών ΡΕΤ, βασιζόμενη σε επίπεδη πηγή TLC, απαιτεί υλικά που είναι συνηθισμένα στο κλινικό περιβάλλον, μπορεί να εφαρμοστεί πειραματικά και να χρησιμοποιηθεί στην κλινική πράξη. Σε αυτή τη μελέτη χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση και βελτιστοποίηση της ποιότητας εικόνας, αλλά μπορεί να είναι επίσης χρήσιμη στον τομέα της έρευνας για περαιτέρω ανάπτυξη συστημάτων ΡΕΤ και SPECT, μέσω προσομοιώσεων με το πακέτο λογισμικού GATE. Οι ανακατασκευασμένες εικόνες από το λογισμικό STIR μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση της κατανομής του ραδιοφαρμάκου, καθώς και την απευθείας λήψη της δοσιμετρικής κατανομής, με αντίστοιχο όφελος στους πυρηνικούς γιατρούς. / The overall purpose of this study was to propose a novel method for the complete image quality characterization and optimization of Positron Emission Tomography (PET) scanners with Monte-Carlo (MC) methods. Α model was developed using the Monte Carlo package of Geant4 Application for Tomographic Emission (GATE) and the software for tomographic image reconstruction (STIR) with cluster computing to obtain reconstructed images. The PET scanner used in this study was the General Electric Discovery-ST (US). The GATE model was validated by comparing results obtained in accordance with the National Electrical Manufacturers Association NEMA-NU-2-2001 protocol (Bettinardi et al 2004, Mawlawi et al 2004). Validation images were reconstructed with the commonly used 2D Filtered Back Projection (FBP2D) and the Kinahan and Rogers FPB3DRP Reprojection Algorithms. Image quality, in terms of the Modulation Transfer Function (MTF), was initially assessed with a novel plane source consisting of a Thin Layer Chromatography (TLC) plate, simulated by a layer of Silica gel on Aluminium foil substrates immersed in Fluorodeoxyglucose (18F-FDG) bath solution (44.4MBq). MTF was assessed from the evaluated STIR digital reconstructed images of the plane source. MTF was also assessed a) in three dimensions, in lines passing through the central axis of the PET scanner, by placing the plane source only horizontally and vertically (5x10cm), b) by scanning 18cm of the transaxial Field Of View (FOV) through the simulation of a horizontal large plane source (18x10cm) and c) by evaluating reconstructed point source images. Furthermore, the study aimed to compare the proposed method with the more traditional technique based on a line source. The complete image quality characterization was assessed in terms of the Detective Quantum Efficiency (DQE) by estimating the MTF and the Normalized Noise Power Spectrum (NNPS) of the 18F-FDG TLC plane source (1 MBq). MTFs curves were estimated from transverse reconstructed images of the plane source, whereas the NNPS data were estimated from the corresponding coronal images. Images were reconstructed by the Maximum Likelihood Estimation (MLE)-OSMAPOSL reprojection algorithm by using various subsets (3 to 21) and iterations (1 to 20). Additionally, the influence of different scintillating crystals on PET scanner’s image quality, in terms of the MTF, the NNPS and the DQE, was also investigated. In this case, OSMAPOSL image reconstruction was assessed by using 15 subsets and 3 iterations. The simulated spatial resolution in terms of Full Width at Half Maximum (FWHM) agreed with published data of Mawlawi et al (2004), within less than 3.29% in 2D and less than 2.51% in 3D with published data of others, respectively. The 2D values for the sensitivity, the scatter fraction and the count-rate were found to agree within less than 0.46%, 4.59% and 7.86%, respectively with corresponding published values. Accordingly, the corresponding 3D values were found to agree to less than 1.62%, 2.85% and 9.13%, respectively with Mawlawi et al (2004) published values. Sensitivity, which was also estimated in the absence of attenuation material by simulating an ideal source, showed differences between the extrapolated and the ideal source values (with and without attenuation) ranging in 2D from 0.04% to 0.82% (radial location R=0cm) in 2D and from 0.52% to 0.67% in 3D mode (radial locations R=10cm). By using this model, sensitivity can be obtained in a more simplified procedure. The simulated noise equivalent count rate was found to be 94.31kcps in 2D and 66.9kcps in 3D at 70 and 15kBq/mL respectively, compared to 94.08kcps in 2D and 70.88kcps in 3D at 54.6kBq/mL and 14kBq/mL respectively, from the published by others values. The simulated image quality was found in excellent agreement with these published values. The MTFs obtained using the FBP2D were in close agreement to those obtained by the FBP3DRP, whereas the MTFs of the OSMAPOSL show, in all cases, that higher frequencies are preserved than in the case of the FBP. FBP reconstructed images obtained from the large horizontal plane source showed that the MTF was found to degrade gradually as we move towards the edge of the FOV. The MTFs of the FBP images along the vertical direction were slightly lower than the corresponding horizontal ones. In addition, the plane source method is less prone to noise than the conventional line source method (sd=0.0031 and 0.0203, respectively). In the case of DQE investigation, MTF values assessed from the evaluated STIR digital reconstructed images, of the TLC based plane source, were found to improve as the number of iterations increased up to 12 and remain almost constant thereafter. Furthermore, variation in the number of subsets didn’t show any effect on the MTF, for equal number of iterations. The noise levels, in terms of the NNPS, in the reconstructed PET image, were found to decrease with the corresponding increase of both the number of iterations and subsets. DQE values were influenced by both MTF and NNPS and were found to increase with the corresponding increase in both number of iterations and subsets. Finally, the PET scanner configuration, incorporating LuAP crystals, provided the optimum MTF values in both 2D and 3DFBP whereas the corresponding configuration with BGO crystals was found with the higher MTF values after OSMAPOSL. The scanner incorporating BGO crystals were also found with the lowest noise levels and the highest DQE values after all image reconstruction algorithms. In conclusion, our study showed that the imaging performance of PET scanners can be fully characterized, further improved and simplified by investigation of the imaging chain components through MC methods. The simulated PET evaluation method, based on a TLC plane source, requires materials commonly found in a clinical environment and can be experimentally implemented and used in clinical practice. In this study it was used for the image quality assessment and optimization, but it can be also useful in research for the further development of PET and SPECT (Single Photon Emission Tomography) scanners though GATE simulations. Reconstructed images by STIR can be also used to obtain radiopharmaceutical distribution of images and direct dose maps, quite useful to nuclear medicine practitioners.

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.