Instrumentación para Cardiología Nuclear. Margarita Núñez, PhD Montevideo, Uruguay

Transcripción

1 Instrumentación para Cardiología Nuclear Margarita Núñez, PhD Montevideo, Uruguay

2 Declaración de conflicto de interés: Conflicto de interés con la empresa SIEMENS. Gerente de Modalidad para Imágenes Moleculares.

3 GAMACÁMARA: INTRODUCCIÓN

4 Componentes de la Gamacámara

5 Cabezal detector

6 Cómo trabaja la Gamacámara? Los rayos gama pasan a través del colimador y son convertidos en destellos de luz por el cristal de NaI la luz es convertida en una señal eléctrica por un conjunto de tubos PMT la señal eléctrica es separada por el circuito de posicionamiento lógico en 3 señales X,Y,Z X,Y - coordenadas de posición de la interacción del rayo gama en el cristal Z - señal de energía proporcional a la energía del rayo gamma incidente

7 Tubo Fotomultiplicador Fotoelectrón Tubo de vidrio al vacío Fotón de luz incidente e - Electrónica Fotocátodo Dínodos Ánodo Los dínodos tienen voltaje creciente

8 La camera Anger en PET El evento activa los FT cercanos. γ γ Si el evento apilado no es rechazado, la logic Anger lo coloca aqui La tasa de luz colectada en los FT activados da la posicion del evento (logica Anger). El apilamiento de pulsos ocurre cuando los FT activados reciben mas luz de centelleo durante la integracion. Asi grandes porciones del detector quedan muertas cada vez que hay una interaccion.

9 Diseño del Detector con lógica Anger cristal continuo cristal discreto * 50-mm 39-mm FTs FTs Funcion de respuesta a la luz * Ancho senales FT integradas Angosto

10 El cristal de Ioduro de Sodio Objetivo: convertir rayos gamma en fotones de luz El ioduro de sodio es usado porque: tiene un alto número atómico (Z=53, iodine) es bastante denso y por lo tanto tiene un buen poder de frenado para los rayos gama utilizados en medicina nuclear el número de fotones de luz es directamente proporcional a la energía del fotón gama incidente

11 Tubos Fotomultiplicadores La salida del TFM es proporcional a su distancia al sitio de interacción del rayo gama Se asignan factores de peso a cada TFM de acuerdo a su posición en el cristal La suma de los factores de peso a la salida del TFM = posición del centelleo Las salidas de los TFM son sumadas para dar una señal proporcional a Z La salida total de los TFMs es proporcional a la luz producida en el cristal y por lo tanto a la energía del rayo gama

12 Espectrometría

13 Analizador de Altura de Pulsos Analiza la amplitud de la señal de energía y rechaza cualquier señal fuera de cierto límite de energía - ventana de energía Es utilizado para remover los rayos gama dispersados (scattered) y reducir esta energía de la imagen La resolución de energía del detector determina que tan angosta debe ser configurada la ventana

14 Resolución Capacidad del sistema para identificar con exactitud dos eventos separados: por el espacio por el tiempo por diferentes energías

15 Resolución de Energía

16 Pasaje de los rayos gama a través de un colimador de agujeros paralelos El colimador guía la dirección El tamaño y largo de los agujeros del colimador determinan que rayos gama alcanzan el detector Los agujeros pequeños aumentan la resolución pero disminuyen la sensibilidad

17 Colimadores La elección del colimador determina el tamaño, la sensibilidad y la resolución de la imagen Ejemplos: LEHR, LEAP/LEGP, LEHS, LEUHR, LEHRFB Pinhole ME( 67 Ga), HE( 131 I) UHE( 18 F)

18 Colimadores

19 Diseños de GC

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24 Innovaciones GC

25 Sistemas SPECT/CT Mediso, Nucline DHV/CT GE Healthcare Infinia-Hawkeye Siemens Healthcare Systems Symbia Philips Medical Systems BrightView XCT Philips Medical Systems Precedence

26 Limitaciones del SPECT Cristal de yoduro sodico Solo una porción del cristal es usada para captar la imagen del corazón

27 Diseño de las cámaras de adquisición ultrarapida dedicadas a cardiología Detectores

28 Sistemas comerciales de GC de estado sólido dedicadas a SPECT cardíaco DSPECT 9 CZT detectors Cardius 3 XACT 3 CsI cameras DNM 530c 19 CZT detectors

29 Cámaras SPECT especialmente diseñadas para cardiología nuclear Digirad

30 GC de Estado Sólido Anger Camera End view Side view cutaway The Revolution Starts Here!! 128 Crystal/PMTs

31 Conversion indirecta vs directa scintillator γ Improved Energy + Spatial Resolution γ lightguide PMT CZT Anger 9.5% Alcyone 6.0% point sources in air 99m Tc: 140 kev 123 I: 159 kev kev 200

32 Digirad Solid-State Module Collimator CsI/Si Imager Head Solid-state modular design replaces the photomultiplier tubes used in conventional cameras The camera head contains 32 modules. Si Photodiode Circuit Board CsI (TI) Scintillation Crystal Readout Electronics Lead Shielded Head Array of Detectors Conventional Anger vs. Solid-State Gamma Camera

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34 Relative Response Spatial Response Comparison Point Spread Function Shape Comparison Direct digital positioning provides for excellent spatial response and enhanced image contrast and resolution Digirad Camera Scintillation Camera Y mm Anger Pixellated 0.5 X mm Spatial Response and Source Energy Digital Position Sensing TM Direct Position Sensing TM Anger Technology 99m Tc 201 Tl Excellent spatial response Enhanced image contrast Better image resolution With Direct Position Sensing TM, intrinsic spatial response is independent of source energy, unlike Anger technology. This means fewer uniformity calibrations and excellent clinical image quality. Anger Camera Solid-State Camera Planar views Equivalent counts in each image

35 Cámaras SPECT especialmente diseñadas para cardiología nuclear Digirad, Inc. Cardius X-ACT System for Cardiac imaging (w/ measured AC)

36 Cámaras SPECT especialmente diseñadas para cardiología nuclear Digirad

37 Cámaras SPECT para cardiología nuclear decúbito prono

38 Sistemas SPECT/CT dedicados GE Healthcare Discovery NM/VCT

39 Sistemas SPECT/CT dedicados GE Healthcare Discovery NM/VCT

40 Discovery NM 530c Multi cameras pinhole rinde 5-10 veces SPECT Enfocadas en el corazón Anger 9.5% Alcyone 6.0% point sources in air 99m Tc: 140 kev 4 cm 123 I: 159 kev kev 200 Ningún movimiento (como PET) Usa colimadores pinhole de plomo y tungsteno Detectores CZT de estado sólido

41 Discovery NM: 19 proyecciones simultáneas

42 Emission SPECT Aligned to Transmission CT DNM 530c + CT AC

43 SPECTRUM DYNAMICS

44 Spectrum Dynamics: The D-SPECT Technology D-SPECT Cardiac Scanner D-SPECT detector unit D-SPECT detector head Enables personalized scanning: independently controlled detector units many scanning angles proprietary algorithms Up to 10X more sensitivity ROI-centric scanning Wide solid angle, tungsten collimators CZT solid state detectors

45 Fanning CZT Detectors D-SPECT detector geometry CZT = Cd-Zn-Te

46 Spectrum Dynamics: The D-SPECT Technology ROI-Centric Scanning Flexible sampling variable angular sampling variable time per angle choice of field-of-view cardiac counts increased compared to SPECT by ~

47 SPECTRUM DYNAMICS

48 Spectrum Dynamics: The D-SPECT Technology D-SPECT detector head detector columns Detectores de estado sólido CZT Colimadores de tungsteno ~ 8X más sensibilidad

49 Normalised count-rate (%) Spectrum Dynamics: The D-SPECT Technology D-SPECT spectra Tl-201 Gd-153 Co-57 Tc-99m I Energy (kev) Resolución de energía <6%

50 AXIS, Philips Medical Systems D-SPECT, Spectrum Dynamics stress: 19min; rest: 11min stress: 4min; rest: 2min

51 Sistemas SPECT/CT dedicados Detector CZT o NaI Sensibilidad ~3x resolución Colimador slit/slat con slits rotatorios CardiArc

52 Cámaras especialmente diseñadas para cardiología nuclear SPECT móvil Segami

53 Cámaras especialmente diseñadas para cardiología nuclear Philips

54 Cámaras especialmente diseñadas para cardiología nuclear Siemens

55 Update IQ SPECT Technology SMARTZOOM Collimation Acquisition Reconstruction Forward Projection Compare Back Projection 4x more counts from the heart than LEHR No truncation 48,000 uniquely positioned holes

56 SMARTZOOM Collimator Design Allows for the Magnification of the Heart Using a Large FOV The SMARTZOOM collimator is designed so that the center of the field of view magnifies the heart, while the edges sample the entire body to avoid the truncation artifacts, which are common to pinhole and focusing collimators By combining the advantages of a converging collimator at the center of the field of view and a diverging collimator at the edges, we are able to use the large FOV and to magnify the heart in two spatial dimensions (axial and transaxial) Converging Diverging

57 LEHR Parallel Hole vs. SMARTZOOM Collimation LEHR Parallel Hole SMARTZOOM Acquired counts from the heart occupy a small portion of the detector 4x more counts are acquired from the heart and fewer from the rest of the body

58 Update IQ SPECT Technology SMARTZOOM Collimation Acquisition Reconstruction Forward Projection Compare Back Projection 4x more counts from the heart than LEHR No truncation 48,000 uniquely positioned holes Cardio-centric orbit Heart is always in the maximum zoom area Heart is in the center of rotation

59 IQ SPECT Acquisition Cardio-centric orbit Heart is center of rotation Detectors are at 104 ~10 cm between the detectors Cardio-centric orbit Radius of rotation = 28 cm Rotation arc is 104

60 IQ SPECT Technology Acquires 4x More Counts LEHR SPECT Acquisition IQ SPECT Acquisition Reconstruction protocol options: FBP:16 min, full dose cardio Flash: 8 min, full dose cardio Flash: 16 min, half dose 4x counts allows choice of protocol: 4 min, full dose 8 min, half dose 16 min, quarter dose

61 Update IQ SPECT Technology SMARTZOOM Collimation Acquisition Reconstruction Forward Projection Compare Back Projection 4x more counts from the heart than LEHR No truncation 48,000 uniquely positioned holes Cardio-centric orbit Heart is always in the maximum zoom area Heart is in the center of rotation Data driven Cardio-centric orbit modeled Conjugate gradient method

62 Update IQ SPECT Reconstruction Reconstructed resolution in a circular orbit (7.4 mm) * Realizes the 4x sensitivity gain of the SMARTZOOM collimator Forward Projection To accomplish these goals the reconstruction must correctly model the geometry of the SMARTZOOM collimators and the cardio-centric orbit Back Projection Compare

63 IQ SPECT: Normal Stress Perfusion 4 min IQ SPECT compared to 16 min LEHR acquisition LEHR CTAC IQ SPECT CTAC LEHR CTAC IQ SPECT CTAC

64 Innovaciones Software

65 Reconstrucción Iterativa (RR+NR) MLEM (OSEM) MAP maximum a posteriori algorithm uses MLEM with a Bayesian prior that constraints reconstruction variables Wide Beam Reconstruction (UltraSPECT) Astonish (Philips) Flash3D (Siemens) Evolution (GE) nspeed (Digirad)

66 Innovaciones en Procesamiento Modelado de la Resolución detector (projection) 10 min CDR compensation object 20 min No compensation requiere varias iteraciones mejores propiedades de ruido mitad de tiempo de adquisición

67 Recuperación de Resolución Voxels FBP Assumption Detector Resolution Recovery Reality RR uses real geometry Radioactive Source

68 I-131 Recuperación de la Resolución 0.08/pix 0.1/pix 0.15/pix 1 st it 2 nd it. 5 th it. FBP* w/o any comp. OSEM + w/o any comp. * Cut-off freq., Butterworth filter 0.22/pix 0.30/pix 0.5 c/p 10 th it. 15 th it. 20 th it subsets, 4 projections/subset 1 st it 2 nd it. 5 th it. 1 st it 2 nd it. 5 th it. OSEM + w/ comp. of geometric response only OSEM + w/ comp. of geometric, penetration & scatter 10 th it. 15 th it. 20 th it. 10 th it. 15 th it. 20 th it. Data courtesy E Frey, B Tsui, John Hopkins

69 Modelando la Resolución del Sistema (UltraSPECT, Astonish, Flash, Evolution) FBP 10 min scan WBR 5 min scan FBP WBR

70 Muchas gracias

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72 Diseño de Sistemas Discovery NM 530c

73 Indirect vs. direct conversion Indirect X-ray or -ray Direct X-ray or -ray cathode Scintillator (e.g. NaI:Tl): kev e e Light generation Light transport Q.E. 20%-80% Charge generation Charge transport Noise h h h h h e e e e e anode electronics Direct Conversion (CZT): 30, kev Photosensor (PMT): 2000 photo-electrons Gain variation energy charge carriers e e e e e e e e e e e electronics Noise (APD/PD) energy light photo-electrons Assuming no other sources of noise, Poisson statistics dictates energy resolution: FWHM ~ / N ~ 6 % for NaI ~ 1.4 % for CZT Not achieved in practice

74 Effecto de Regularizacion de Ruido en el Contraste del Defecto Defect Original Count Profile Smoothed Count Profile Contrast Ischemia detection Regularized Count Profile