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Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 2001. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 106-110).

A maximum-likelihood parameter-estimation method is developed that allows the mean of coarsely digitized data to be determined to far greater precision than that inherent in the digital quantization. The method is used to determine the mean responses of photomultiplier tubes in a medical scintillation camera. The mean responses as determined by the estimation scheme are applied to two tasks. The first is the development and construction of a feedback-control loop to stabilize photomultiplier tube responses. The second is a method to characterize the camera face for the construction of a look-up table of maximum a posteriori position estimates used in image acquisition. The implementation of the parameter-estimation algorithm, its applications in both the stabilization of photomultiplier tube response and image look-up table construction, and the analysis of photomultiplier tube statistics, are considered to be the major contributions of the work presented in this thesis. (Abstract shortened with permission of author.)

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The Anger camera has been used for the last quarter century in many areas of science to image gamma radiation. Some typical applications include medicine, where functionality of organs are studied in vivo, and industrial inspection of fuel rods for nuclear reactors. The standard Anger geometry includes a large scintillation crystal, light guide, photomultiplier array, and analog processing electronics. Even the most modern gamma cameras built today still use the standard Anger design. The work presented here describes an alternative to the standard gamma-camera design that is flexible enough to be used in a wide variety of applications. Especially in single-photon emmission computed tomography (SPECT) applications, the new design has the potential to be more efficient than the standard design. The new design is modular, that is, several small, separate units comprise a system. Each unit consists of a small gamma camera that is optically and electronically independent from other units. The units, called "modular cameras," can be configured around the region of interest so as to provide the maximum amount of information for reconstruction algorithms or direct information to the operator. The theoretical and experimental investigation of this report focuses on the design and construction of the modular cameras. Each modular camera is, in esscence, a small Anger camera. Components of each module include a scintillation crystal, a light guide, and an array of four photomultiplier tubes. Instead of an analog processing network, each module utilizes fast digital circuitry which includes direct analog-to-digital conversion of the photomultiplier signals, a lookup table which maps detector responses to position estimates of the scintillation flashes in the crystal, and an image memory which accumulates the position estimates and forms an image of the radiation incident on the faceplate of the camera. The digital electronics are necessary because analog techniques fail to give satisfactory estimates of scintillation position when the flashes occur near the sides of the crystal. The contents of the lookup table are determined from the statistical properties of the detected signals as a function of scintillation position. Experiments are described in which "best" estimates of position are found by processing data collected from an array of point-source positions in contact with the crystal. Alternative methods for construction of the lookup table are also discussed, which involve computer generation of the estimates. Both maximum-likelihood and mimimum-mean-square-error estimation rules are used, and the results are compared. A mathematical bound on the performance of the estimators is calculated assuming Poisson statistics for the detection process. The bound, which is a Cramer-Rao lower bound, is used to compare module geometries before lookup tables are constructed. A one-dimensional module, which accumulates information along one axis of the faceplate, is designed first. The one-dimensional module provides proof-of-principle evidence for the estimation techniques and is used to determine critical parameters for modular-camera design. The results of the experiments with the one-dimensional camera are extended to two-dimensional designs, which yield position estimates along both axes of the camera faceplate. Several two-dimensional cameras are tested, and an optimum geometry is constructed and tested for spatial resolution and bias of the estimators.

A tomografia por emissão de pósitrons (\"Positron Emission Tomography\" - PET) é uma técnica para obtenção de imagens tomográficas em Medicina Nuclear que permite o estudo da função e do metabolismo do corpo humano em diversos problemas clínicos, através do uso de fármacos marcados por radionuclídeos emissores de pósitrons. As aplicações mais frequentes ocorrem em oncologia, neurologia e cardiologia, através da análise qualitativa e quantitativa dessas imagens. Atualmente, a PET é realizada de duas maneiras: através de sistemas constituídos por anéis formados por alguns milhares de detectores operando em coincidência, chamados de sistemas dedicados; ou com o uso de câmaras PET /SPECT, formadas por dois detectores de cintilação em coincidência, que também servem para estudos com radionuclídeos emissores de fóton único (\"Single Photon Emission Computed Tomography\" - SPECT). O desenvolvimento desses sistemas PET /SPECT tornou viáveis os estudos com a fluor-deoxiglicose, [18 ANTPOT. F]-FDG, um fármaco marcado com 18 ANTIPOT. F (emissor de pósitrons com 109 minutos de meia-vida física), para um número grande de clínicas e hospitais, principalmente por estes serem de uma tecnologia economicamente mais acessível que os realizados com a PET dedicada. Neste presente trabalho, desenvolveu-se uma metodologia para caracterizar e avaliar um sistema PET /SPECT com dois detectores de cintilação e dispositivo com duas fontes pontuais de Cs-137, destinado à obtenção das imagens de transmissão para a correção de atenuação dos fótons. Ela se baseia em adaptações dos testes convencionais de câmaras SPECT, descritos no IAEA TecDoc - 602 - 1991 (\"lnternational Atomic Energy Agency\" - IAEA), e de sistemas PET dedicados, publicados no NEMA NU 2- 1994 (\"National Electrical Manufacturers Association\"NEMA). O resultado foi organizado em forma de roteiros que foram testados em uma câmara da ADAC Laboratories/Philips, a VertexlM - Plus EPIClMJMCDlM - AC, instalada no Serviço de Radioisótopos do lnCor - HCFMUSP (Instituto do Coração - Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo). Esta câmara foi a primeira instalada no Brasil e está sendo utilizada, predominantemente, para estudos oncológicos e de viabilidade miocárdica. O radiofármaco utilizado na obtenção das imagens foi a [18F]-FDG, fornecida regularmente pelo IPEN/CNEN-SP (Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares/Comissão Nacional de Energia Nuclear - São Paulo), e a reconstrução tomográfica foi realizada com o software próprio do sistema, utilizando-se os parâmetros padrão dos protocolos clínicos. Foram utilizadas fontes pontuais suspensas no ar para as medidas de resolução espacial transversal e lineares imersas na água para as de fração de espalhamento e sensibilidade. Na avaliação da sensibilidade, uniformidade, taxa de eventos verdadeiros, taxa de eventos aleatórios e tempo morto do sistema eletrônico, foram feitas imagens de um simulador físico construído especialmente para o presente trabalho, a partir das instruções da publicação NEMA NU 2 - 1994 para sistemas PET dedicados. A acurácia da correção de atenuação foi verificada através das imagens do simulador físico citado com a inserção de três cilindros de densidades diferentes: água, ar e Teflon. Os roteiros deste trabalho poderão servir de guia para Programas de Controle e Garantia de Qualidade e avaliação da performance de sistemas PET /SPECT com dois detectores de cintilação em coincidência. A implantação destes roteiros pelos centros clínicos que utilizam este tipo de equipamento aumentará a qualidade e a confiabilidade nas imagens resultantes, assim como na sua quantificação. / Positron emission tomography, PET, is a Nuclear Medicine technique that allows the study of human body\'s function and metabolism in many clinical problems, with the help of pharmaceuticals labeled with positron emitters. The most frequent applications occur in oncology, neurology and cardiology, through qualitative and quantitative analysis of these images. Currently, PET is performed in two manners: by using dedicated systems, consisted of rings of thousands of detectors operating in coincidence; or with the use of PET /SPECT cameras, formed by two scintillation detectors in coincidence, which are also used in SPECT studies (single photon emission tomography). The development of PET /SPECT systems made possible the studies with fluor-deoxiglucose, [18F]-FDG, a pharmaceutical labeled with 18F (positron emitter with 109 minutes physical half-life), for a large number of clinics and hospitals, mainly due to their economical accessibility when compared to the dedicated PET studies. In this present work, a method was developed for characterizing and evaluating a PET /SPECT system with two scintillation detectors and device with two point sources of 137Cs, designed to obtain the transmission images for the photon attenuation correction. lt is based on adaptations of the conventional tests of SPECT cameras, described in IAEA TecDoc - 602 - 1991 (\"international Atomic Energy Agency \" - IAEA), and those for dedicated PET systems, published in NEMA NU 2 - 1994 (\"National Electrical Manufacturers Association \" - NEMA). The results were organized in a set of testing protocols and tested in the ADAC Laboratories/Philips camera, the VertexlM - Plus EPIClM/MCDlM - AC, installed in the Radioisotopes Service of lnCor - HCFMUSP (Instituto do Coração - Hospital das clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo). This camera was the first one installed in Brazil and is being used, predominantly, for oncological studies and miocardial viability. The radiopharmaceutical used was [18F]-FDG, supplied regularly by IPEN/CNEN-SP (Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares I Comissão Nacional de Energia Nuclear - São Paulo), and the tomographic reconstruction was performed with the system software, using the standard parameters of the clinical protocols. Point sources suspended in air were used in the measurements of spatial resolution and linear sources immersed in water for scattering fraction and sensitivity measurements. In the evaluation of sensitivity, uniformity, true events, random events and dead time of the electronic system, a phantom was constructed specifically for the present work, from the instructions of NEMA NU 2 - 1994 for dedicated PET systems. The accuracy of the attenuation correction was verified from the images of the phantom with three inserts of different densities: water, air and Teflon. The resultant protocols can serve as a guideline for Programs of Quality Control and Assurance, as well as for the evaluation of the performance of PET /SPECT systems with two scintillation detectors in coincidence. lf implemented by clinical centers that use this type of equipment, it will enhance the quality and confidence of the resulting images, as well as their quantification.

A tomografia por emissão de pósitrons (\"Positron Emission Tomography\" - PET) é uma técnica para obtenção de imagens tomográficas em Medicina Nuclear que permite o estudo da função e do metabolismo do corpo humano em diversos problemas clínicos, através do uso de fármacos marcados por radionuclídeos emissores de pósitrons. As aplicações mais frequentes ocorrem em oncologia, neurologia e cardiologia, através da análise qualitativa e quantitativa dessas imagens. Atualmente, a PET é realizada de duas maneiras: através de sistemas constituídos por anéis formados por alguns milhares de detectores operando em coincidência, chamados de sistemas dedicados; ou com o uso de câmaras PET /SPECT, formadas por dois detectores de cintilação em coincidência, que também servem para estudos com radionuclídeos emissores de fóton único (\"Single Photon Emission Computed Tomography\" - SPECT). O desenvolvimento desses sistemas PET /SPECT tornou viáveis os estudos com a fluor-deoxiglicose, [18 ANTPOT. F]-FDG, um fármaco marcado com 18 ANTIPOT. F (emissor de pósitrons com 109 minutos de meia-vida física), para um número grande de clínicas e hospitais, principalmente por estes serem de uma tecnologia economicamente mais acessível que os realizados com a PET dedicada. Neste presente trabalho, desenvolveu-se uma metodologia para caracterizar e avaliar um sistema PET /SPECT com dois detectores de cintilação e dispositivo com duas fontes pontuais de Cs-137, destinado à obtenção das imagens de transmissão para a correção de atenuação dos fótons. Ela se baseia em adaptações dos testes convencionais de câmaras SPECT, descritos no IAEA TecDoc - 602 - 1991 (\"lnternational Atomic Energy Agency\" - IAEA), e de sistemas PET dedicados, publicados no NEMA NU 2- 1994 (\"National Electrical Manufacturers Association\"NEMA). O resultado foi organizado em forma de roteiros que foram testados em uma câmara da ADAC Laboratories/Philips, a VertexlM - Plus EPIClMJMCDlM - AC, instalada no Serviço de Radioisótopos do lnCor - HCFMUSP (Instituto do Coração - Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo). Esta câmara foi a primeira instalada no Brasil e está sendo utilizada, predominantemente, para estudos oncológicos e de viabilidade miocárdica. O radiofármaco utilizado na obtenção das imagens foi a [18F]-FDG, fornecida regularmente pelo IPEN/CNEN-SP (Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares/Comissão Nacional de Energia Nuclear - São Paulo), e a reconstrução tomográfica foi realizada com o software próprio do sistema, utilizando-se os parâmetros padrão dos protocolos clínicos. Foram utilizadas fontes pontuais suspensas no ar para as medidas de resolução espacial transversal e lineares imersas na água para as de fração de espalhamento e sensibilidade. Na avaliação da sensibilidade, uniformidade, taxa de eventos verdadeiros, taxa de eventos aleatórios e tempo morto do sistema eletrônico, foram feitas imagens de um simulador físico construído especialmente para o presente trabalho, a partir das instruções da publicação NEMA NU 2 - 1994 para sistemas PET dedicados. A acurácia da correção de atenuação foi verificada através das imagens do simulador físico citado com a inserção de três cilindros de densidades diferentes: água, ar e Teflon. Os roteiros deste trabalho poderão servir de guia para Programas de Controle e Garantia de Qualidade e avaliação da performance de sistemas PET /SPECT com dois detectores de cintilação em coincidência. A implantação destes roteiros pelos centros clínicos que utilizam este tipo de equipamento aumentará a qualidade e a confiabilidade nas imagens resultantes, assim como na sua quantificação. / Positron emission tomography, PET, is a Nuclear Medicine technique that allows the study of human body\'s function and metabolism in many clinical problems, with the help of pharmaceuticals labeled with positron emitters. The most frequent applications occur in oncology, neurology and cardiology, through qualitative and quantitative analysis of these images. Currently, PET is performed in two manners: by using dedicated systems, consisted of rings of thousands of detectors operating in coincidence; or with the use of PET /SPECT cameras, formed by two scintillation detectors in coincidence, which are also used in SPECT studies (single photon emission tomography). The development of PET /SPECT systems made possible the studies with fluor-deoxiglucose, [18F]-FDG, a pharmaceutical labeled with 18F (positron emitter with 109 minutes physical half-life), for a large number of clinics and hospitals, mainly due to their economical accessibility when compared to the dedicated PET studies. In this present work, a method was developed for characterizing and evaluating a PET /SPECT system with two scintillation detectors and device with two point sources of 137Cs, designed to obtain the transmission images for the photon attenuation correction. lt is based on adaptations of the conventional tests of SPECT cameras, described in IAEA TecDoc - 602 - 1991 (\"international Atomic Energy Agency \" - IAEA), and those for dedicated PET systems, published in NEMA NU 2 - 1994 (\"National Electrical Manufacturers Association \" - NEMA). The results were organized in a set of testing protocols and tested in the ADAC Laboratories/Philips camera, the VertexlM - Plus EPIClM/MCDlM - AC, installed in the Radioisotopes Service of lnCor - HCFMUSP (Instituto do Coração - Hospital das clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo). This camera was the first one installed in Brazil and is being used, predominantly, for oncological studies and miocardial viability. The radiopharmaceutical used was [18F]-FDG, supplied regularly by IPEN/CNEN-SP (Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares I Comissão Nacional de Energia Nuclear - São Paulo), and the tomographic reconstruction was performed with the system software, using the standard parameters of the clinical protocols. Point sources suspended in air were used in the measurements of spatial resolution and linear sources immersed in water for scattering fraction and sensitivity measurements. In the evaluation of sensitivity, uniformity, true events, random events and dead time of the electronic system, a phantom was constructed specifically for the present work, from the instructions of NEMA NU 2 - 1994 for dedicated PET systems. The accuracy of the attenuation correction was verified from the images of the phantom with three inserts of different densities: water, air and Teflon. The resultant protocols can serve as a guideline for Programs of Quality Control and Assurance, as well as for the evaluation of the performance of PET /SPECT systems with two scintillation detectors in coincidence. lf implemented by clinical centers that use this type of equipment, it will enhance the quality and confidence of the resulting images, as well as their quantification.

Quality control programs in nuclear medicine include verifying the efficiency of all equipment used for diagnosis and therapy, including scintillation cameras. To that end, we have developed and evaluated the performance of four phantom kidneys two static anthropomorphic, one semi-dynamic, and one dynamic to acquire static and dynamic renal scintigraphic images. The static anthropomorphic phantoms were used to characterize and evaluate the response of the processing system for different concentrations of radionuclides through static renal scintigraphy images (99mTc-DMSA), obtained with posterior, right posterior oblique, left posterior oblique, and anterior incidences. The static phantoms were made in two ways; one was made of acrylic from a mold of a pair of human kidneys preserved in formalin, and the second was built with acrylonitrile butadiene styrene (ABS), in a 3D printer using the Slicer program, based on a computed tomography (CT) of the thorax, using the Slicer program. The semi-dynamic and dynamic phantoms were constructed to characterize and evaluate images of dynamic renal scintigraphy. In the semi-dynamic phantom, the injection of radiotracer was performed manually, whereas in the dynamic phantom, the radiotracer was automatically injected through an injector system. With the semi-dynamic phantom, it was possible to analyze the formation of a renogram with normal renal scintigraphic appearance using an imaging system. The simulations obtained from the dynamic phantom simulator enabled studies of normal renal scintigraphy and four other forms of renograms. The static anthropomorphic phantom kidneys proved to be efficient for use in evaluations of varying concentrations of radionuclides. The dynamic phantom kidney was useful for analysis of scintigraphic images and obtaining different pathways for elimination of the radioisotope, allowing for analysis of different renograms. Therefore, the new kidney phantoms would be useful for quality control of image processing systems in renal scintigraphy. / Um programa de controle de qualidade em serviços de medicina nuclear abrange a verificação da eficiência de todos os equipamentos utilizados para diagnóstico e terapia, incluindo a câmara de cintilação. Nesse trabalho, desenvolvemos e avaliamos o desempenho de quatro objetos simuladores renais: dois antropomórficos estáticos, um semidinâmico e outro dinâmico para aquisição de imagens cintilográficas renais estáticas e dinâmicas. Os objetos simuladores antropomórficos estáticos foram utilizados para caracterizar e avaliar a resposta do sistema de processamento para diferentes concentrações de radionuclídeos por meio de imagens de cintilografia renal estática (DMSA-99mTc), obtidas com incidências posteriores (POST), oblíqua posterior direita (OPD), oblíqua posterior esquerda (OPE) e anterior. Os objetos simuladores estáticos foram confeccionados de duas formas distintas: o primeiro foi feito de acrílico a partir de molde de um par de rins humano, conservados em formol, e o segundo foi construído de acrilonitrilabutadieno estireno (ABS) em uma impressora 3D, a partir de uma tomografia computadorizada (TC) de tórax, utilizando o programa Slicer. Foram construídos dois objetos simuladores para caracterizar e avaliar imagens da cintilografia renal dinâmica, o primeiro, semidinâmico, em que a injeção do radiotraçador foi realizada de forma manual, e um segundo objeto simulador dinâmico, com injeção automática do radiotraçador, através de um sistema injetor. Com o objeto simulador semidinâmico foi possível analisar a resposta do sistema de processamento de imagens para a forma de renograma com aspecto cintilográfico renal normal. O objeto simulador dinâmico possibilitou estudos simulados de cintilografia renal normal e de outras quatro formas de renogramas. Os novos objetos simuladores estáticos antropomórficos renais se mostraram eficientes para uso em avaliações de variação de concentrações de radionuclídeos e para análise das imagens cintilográficas e obtenção de diferentes formas de eliminação do radioisótopo, permitindo a análise de diferentes renogramas. Portanto, os novos objetos simuladores renais são eficientes para uso em controle de qualidade de cintilografias renais e sistemas de processamento de imagens.