Fundamentos de PET/CT Roberto A. Isoardi, PhD Fundación Escuela de Medicina Nuclear Mendoza, Argentina
Fundamentos de PET/CT
Roberto A. Isoardi, PhD
Fundación Escuela de Medicina Nuclear
Mendoza, Argentina
Tipos de imágenes
René Magritte The Treachery of Images 1928
Imágenes de proyección
Imágenes tomográficas
Aneurisma arteria
basilar
Adquisición tomográfica reconstrucción Formar volumen
Procesamiento de imágenes
simple sofisticada
Vista transaxial o axial Vista Coronal Vista sagital
Dos tipos de tomografía
‘Tomo’ + ‘grafía’ = Griego: ‘corte’ + ‘imagen’
PET: Emisión CT: Transmisión
fuente
detector
radiofrecuencias micro-
ondas
TV FM AM
IR UV
Rango óptico
(not to scale)
R-X R-Gamma R-cósmicos
El espectro electromagnético
Transmisión en 10 cm de material (ej. agua)
0.0
1.0
Long de onda larga Alta energía
Región de baja resolución
(long onda larga) Región de alta
resolución
Física de PET y CT
Modalidad Resolución (mm) TX o EM* Modo
R- X 0.1 – 1.0 TX Proyección
Medicina 10 – 20 EM Proyección
Nuclear
CT Rayos-X 0.5 TX Tomográfica
Ultrasonido 0.3 TX (sonido) Tomográfica
MRI 1 EM (RF) Tomográfica
SPECT 10 EM Tomográfica
PET 5 EM Tomográfica
*(TX = transmision, EM = emision)
Modalidades de Imágenes Médicas
Emisión de Positrones
Decaimiento radioactivo
• Decae a una forma estable convirtiendo un proton en un neutron y expulsando un positron para conservar carga
• El positron se aniquila con un electron, produciendo dos fotones anti-colineales
• El sistema de detección es eficiente en un ~1-5% y puede cuantificarse
n p
n p
n
p n p n
p n
p
n p
p
p n
p n
p n
p
n
p n n p
n p
n
p n p n
p n
p
n p
n
p n
p n
p n
p
n
p n
~2 mm
18F 18O
~180º
E = mc2
= 511 keV
+
e-
Centelleo
Fotón de alta
energía 511 keV
Fotones ópticos (~ 1eV)
centellador
(e.g. BGO Denso
pero transparente)
Pulso de
corriente
por cada
fotón UV
detectado
Tubos fotomultiplicadores (PMTs)
ganancia de ~ 106
PET – Bloque detector
Cinta sello-reflectora
Dos PMTs de doble
cátodo
• Los escáneres PET se arman en bloques
• Cada bloque usa un número limitdado de PMTs para decodificar un arreglo de cristales de centelleo
Rayos Gamma
Luz de centelleo
Señal de salida a procesar
Detector PET en anillo
Matriz de bloques: cristales BGO
6 x 8 cristales (axial por transaxial)
Cada cristal:
6.3 mm axial
4.7 mm transaxial
Construcción del escáner
Axial:
4 bloques axialmente = 24 anillos
15.7 cm extension axial
Transaxial:
70 bloques alrededor = 560 cristales
88 cm BGO diámetro de anillo
70 cm apertura paciente
13,440 cristales individuales
Descripción: GE Discovery STE PET/CT
Detección de eventos en coincidencias
Dt < 10 ns?
detector A
detector B
registrar
evento
Campo de visión
+ + e- aniquilación
Reconstruir
imagen de
radiotrazador
Flujo de formación de imágenes PET
Detección
Primaria
Decodifica
ción
Corrección
detectores
Procesamiento
de
coincidencias
Data
Binning
Corrección
de datos
Reconstrucción
de imágenes
Errores en las mediciones
Evento perdido Coincidencia Scatter Coincidencia Randoms
LORs incorrectas
Compton
scatter
no LOR
Efectos de la atenuación: caso clínico
PET: sin corrección PET: con corrección Imagen CT (exacta)
Captación
en piel
aumentada
Captación
mediastinal
reducida
Hígado ‘no
uniforme’
Pulmones
‘calientes’
La calidad de imagen en PET es fuertemente afectada
por errores en la corrección de atenuación
• Las imágenes CT se usan además para la corrección de
atenuación de la imagen de PET
• Registración automática: la visualización puede mostrarse en
forma fusionada o PET y CT lado a lado.
Fisiología de un escáner PET/CT
Adquisición
Rayos-X
Reconstrucción
anatómica (CT)
Adquisición
PET
Imagen
CT
Trasladar energías
de CT a PET (511
keV)
Suavizar a la
resolución de PET
Corrección de
atenuación de los
datos de emisión PET
Reconstrucción
functional (PET) Imagen
PET
Visualiza
ción de
cortes
PET y
TAC
Arquitectura básica PET/CT
PET/CT: escáner comercial
Bloques detectores PET Barrera térmica Sistema CT rotativo
Tubo Rayos X
paciente
camilla
Arreglo detectores
Gantry rotativo con tubo y detectores
Rayos X en abanico
Concepto de escáner CT
CT en operación
64-slice CT, weight ~ 1 ton, speed 0.33 sec (180 rpm)
Tubos para CT • Tubo de ánodo rotativo
(disipa calor para permitir corrientes más altas)
Tubo de R-X actual
Paciente grande
Colector de e(-): reduce radiación fuera de foco
• Menor dosis al paciente
Blanco y pivotes de alta potencia
• Alto mA pico para rotación más rápida
Rotación(
s)
típico
mAs
mA
0.5 200 400
0.4 200 500
0.4 240 600
0.35 200 571
0.35 240 686
kVp mA pf pequeño mA pf grande
80 10-300 305-675
100 10-310 315-770
120 10-335 340-800
140 10-335 340-715
Paciente grande
Qué queremos encontrar?
Imágenes moleculares: metabolismo glucosa
FDG-6-PO4 queda ‘atrapado’ y es un marcador de tasa metabólica*
glucosa
glucosa 6-
fosfato
piruvato lactato
glicólisis (anaerobica, ineficiente)
ATC (oxidativa, eficiente)
HOCH2
H 18
F
H
OH H HO
H
OH
H
Flúor
radioactivo
O
[18F]fluorodeoxiglucosa (FDG)
Lo que
vemos
FDG
FDG 6-
fosfato
X
Captación FDG (PET) & localización
anatómica(CT)
Función Funcion+Anatomía y
corrección de atenuación
basada en CT
Anatomía
Exactitud diagnóstica de PET/CT
supera a CT o PET por separado
Weber et al. Nature Reviews Clinical Oncology 2008
PET con 18F-FDG se usa para imágenes
oncológicas
• Actualmente ~ 92% de todos los estudios PET/CT se usan para diagnóstico y estadificación del cáncer
Todo lo
demás
Diagnóstico
de cáncer y
estadificación
• Neuro
• Cardio
• Planificación
de terapia
• Desarrollo de
terapia
Castell and Cook, British J Cancer 2008
Pre
terapia
1 semana
terapia
imatinib
CT PET/CT
PET SUV
5 a 1.8
Respuesta a terapia de metástasis hepáticas
GIST No hay cambio morfológico en la metástasis
Cuáles son las ventajas de PET/CT?
Cuantificación
RM CT
PET US
Qué representan los valores de imagen?
Lineal con la posición y concentración del trazador
Cuantificación
RM CT
PET CT
Qué representan los valores de imagen?
Lineal con la posición Lineal con la posición y concentración del trazador
Mejoras / Artefactos
• Fantoma de calidad de imagen NEMA NU-2 (30 cm x 23 cm sección transversal)
• Diámetros de esferas:1.0, 1.3, 1.7, 2.2, 2.8, 3.7 cm
• 4:1 relación lesion/fondo con dosis típicas clínicas
• RC = medido / verdadero
Efectos de la resolución
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 1 2 3 4
RC
Diámetro(cm)
Coeficiente de Recuperación (RC) con 2D FBP
Mean RC for ROI
Max RC for ROI
Esfera 2 cm
Esfera 5 cm
33 cm
perfil
Efectos de la resolución
Reconstrucción de imagen: Modelado del „borroneo‟ del detector
Scattering inter-cristal Error de paralaje
LOR verdadera
Profundidad de interacción
variable Línea de respuesta asignada
(LOR)
“Point Spread Function (PSF)” del detector: • Radialmente variable
• Asimétrica en la dirección transaxial • Simétrica alrededor del centro del FOV
Espesor del
cristal
Evento verdadero
Evento asignado en el cristal debido al scattering
centelleo (scatter Compton)
Colección de luz
fotón de aniquilación
Resolución espacial variable
OSEM estándar
OSEM con modelado de „borroneo‟ del
detector
Modelado físico de detectores
• En principio es posible eliminar el borroneo de
detector
Desplazamiento del paciente
• Gran cambio en atenuación desde la espina al pulmón
?
Artefactos de respiración: Propagación de
errors por corrección de atenuación
Los artefactos de atenuación pueden influir en errores en los valores medidos de captación de PET (SUV)
Suavizado de imagen: Ruido vs.
Resolución
• Relación de compromiso entre ruido y resolución
• La elección del filtro óptimo depende de la aplicación clínica
• No hay estándares para la elección del suavizado
Efectos del suavizado
10 mm 4 mm 7 mm
RC para esferas de 1 cm
0.85
0.92
0.52
0.80
0.40
0.72
Fantoma tórax SNM: RC real es 1.0
Calidad de imagen
Medidas tradicionales: Resolución
• Point-spread function (PSF): Mejor cuanto más estrecha
• Modulation transfer function (MTF), valor absoluto de la
transformada de Fourier de PSF: Cuanto más ancho
mejor
• FWHM, Full width half maximum
• FWTM, Full width tenth maximum
Entrada Salida del escáner
Proceso de imágenes PSF
FWHM
Medidas tradicionales: Ruido
• Sensibilidad: respuesta a muy bajos niveles de
actividad
• Más cuentas -> menor ruido -> Mejor SNR
• Espectro de potencias de ruido
Cómo se comparan las imágenes?
• Definir tarea
– detección
– Localización
– estimación (cuantificación)
– Discriminación de forma
– Combinaciones de lo anterior, etc.
• medir (cuantificar) la performance de una tarea
• Casi siempre tareas tediosas y difíciles de realizar
adecuadamente
• En algunos casos se pueden usar modelos computacionales de
performance humana – llamados ‘modelos’ u observadores
‘computacionales’ – que se basan en el sistema perceptual
humano.
Sin ruido
lesion:fondo
1 : 1.2 : 1.5 : 2
100 kcuentas
10 kcs 2 kcs
Detectabilidad: está allí?
Resolución reducida
Sin ruido 100 kcs
10 kcs 2 kcs
Ruido correlacionado:
reconstrucción
Correlacionado
No
correlacionado
1M Cuentas 0.1M Cuentas
Sin ruido (reconstruído)
Objeto verdadero
Simulación de abdomen humano con 2cm diámetro, lesión 2:1 contraste
Efectos en la resolución de Suavizado vs. Ruido
más cuentas (menos ruido)
Menos suavizado (más ruido)
Material cortesía de Paul Kinahan, PhD Imaging Research Laboratory
University of Washington, Seattle, USA
Laguna del Diamante, Mendoza