Rev Esp Med Nucl Imagen Mol. 2013;32(1):13 21

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1 Document downloaded from day 22/1/217. This copy is for personal use. Any transmission of this document by any media or format is strictly prohibited. Rev Esp Med Nucl Imagen Mol. 213;32(1):13 21 Original Aportación del tiempo de vuelo y de la modelización de la respuesta a una fuente puntual a las características de funcionamiento del tomógrafo PET/TAC Biograph mct J.M. Martí-Climent, E. Prieto, I. Domínguez-Prado, M.J. García-Velloso, M. Rodríguez-Fraile, J. Arbizu, C. Vigil, C. Caicedo, I. Peñuelas y J.A. Richter Servicio de Medicina Nuclear, Clínica Universidad de Navarra, Pamplona, España información del artículo Historia del artículo: Recibido el 19 de julio de 212 Aceptado el 24 de julio de 212 On-line el 18 de septiembre de 212 Palabras clave: PET/TAC Biograph mct Funcionamiento NEMA NU-2-27 Tiempo de vuelo Respuesta a una fuente puntual r e s u m e n Objetivo: Caracterizar el funcionamiento del tomógrafo PET/TAC Biograph mct TrueV que incorpora el tiempo de vuelo (TOF) y modeliza la respuesta a una fuente puntual (PSF). Material y métodos: El tomógrafo combina un TAC de 64 cortes y un PET que reconstruye tomográficamente con TOF y PSF. Las características de funcionamiento PET se evaluaron siguiendo el estándar NEMA NU-2-27, ampliando algunas pruebas. Adicionalmente se evaluaron diferentes algoritmos de reconstrucción y se midieron la radiación intrínseca y la uniformidad tomográfica. Resultados: La resolución espacial (FWHM) a 1 y 1 cm del eje fue de 4,4 y 5,3 mm, mejorando al introducir la PSF a 2,6 y 2,5 mm. La sensibilidad fue de 1,9 y 1,2 kcps/mbq a y 1 cm del eje. La fracción de dispersión fue inferior al 34% a bajas concentraciones y la tasa de sucesos equivalentes al ruido (NECR) fue máxima en 182 kcps a 27,8 kbq/ml. La radiación intrínseca produjo 4,42 coincidencias verdaderas por segundo. El coeficiente de variación de la uniformidad del volumen y del sistema fue del 4,7 y,8%. La prueba de calidad de imagen mostró mejores resultados al incluir conjuntamente PSF y TOF. Específicamente, la PSF mejoró el contraste de las esferas calientes y la variabilidad del fondo, mientras que el TOF aumentó el contraste de las esferas frías. Conclusiones: El tomógrafo tiene muy buenas características de funcionamiento, además la calidad de la imagen mejora al incorporar la información de la PSF y del TOF en la reconstrucción tomográfica. 212 Elsevier España, S.L. y SEMNIM. Todos los derechos reservados. Contribution of time of flight and point spread function modeling to the performance characteristics of the PET/CT Biograph mct scanner a b s t r a c t Keywords: PET/CT Biograph mct Performance NEMA NU-2-27 Time of flight Point spread function Objective: To characterize the performance of the Biograph mct PET/CT TrueV scanner with time of flight (TOF) and point spread function (PSF) modeling. Material and methods: The PET/CT scanner combines a 64-slice CT and PET scanner that incorporates in the reconstruction the TOF and PSF information. PET operating characteristics were evaluated according to the standard NEMA NU 2-27, expanding some tests. In addition, different reconstruction algorithms were included, and the intrinsic radiation and tomographic uniformity were also evaluated. Results: The spatial resolution (FWHM) at 1 and 1 cm was 4.4 and 5.3 mm, improving to 2.6 and 2.5 mm when PSF is introduced. Sensitivity was 1.9 and 1.2 Kcps/MBq at and 1 cm from the axis. Scatter fraction was less than 34% at low concentrations and the noise equivalent count rate (NECR) was maximal at 27.8 kbq/ml with 182 Kcps, the intrinsic radiation produced a rate of 4.42 true coincidences per second. Coefficient of variation of the volume and system uniformity were 4.7 and.8% respectively. The image quality test showed better results when PSF and TOF were included together. PSF improved the hot spheres contrast and background variability, while TOF improved the cold spheres contrast. Conclusions: The Biograph mct TrueV scanner has good performance characteristics. The image quality improves when the information from the PSF and the TOF is incorporated in the reconstruction. 212 Elsevier España, S.L. and SEMNIM. All rights reserved. Introducción Desde principios de la década pasada los tomógrafos PET/TAC han conseguido mejorar el diagnóstico debido a la integración de Autor para correspondencia. Correo electrónico: jmmartic@unav.es (J.M. Martí-Climent). la imagen metabólica funcional del PET y la anatómica del TAC, en la misma exploración y sin mover al paciente. En el tomógrafo se combinan los equipos PET de altas prestaciones con los mejores equipos TAC 1. Los últimos avances de la tecnología PET han incorporado en la práctica clínica la técnica del tiempo de vuelo (time of flight, TOF) y la modelización de la respuesta del equipo para compensar la degradación de la resolución espacial (point spread function, PSF) 2, X/$ see front matter 212 Elsevier España, S.L. y SEMNIM. Todos los derechos reservados.

2 Document downloaded from day 22/1/217. This copy is for personal use. Any transmission of this document by any media or format is strictly prohibited. 14 J.M. Martí-Climent et al / Rev Esp Med Nucl Imagen Mol. 213;32(1):13 21 La incorporación de la técnica de tiempo de vuelo en los equipos clínicos 4 6 ha sido posible gracias al desarrollo de los cristales centelleadores como LSO o LYSO que, además de tener una elevada eficiencia de detección para los fotones de 511 kev, tienen una buena resolución temporal. En la técnica TOF se mide la diferencia de tiempo entre la detección de los 2 fotones en coincidencia, permitiendo estimar con mejor precisión la localización de la aniquilación. Esta precisión ( x) viene dada por x = c* t/2, donde c es la velocidad de la luz y t es la resolución temporal del equipo, habitualmente del orden de 5 ps. Los algoritmos de reconstrucción también han experimentando una mejora progresiva en los últimos años, y los métodos iterativos se han convertido en los algoritmos estándar de reconstrucción. Las correcciones que originalmente se hacían sobre las proyecciones o sinogramas se han ido incorporando al propio bucle iterativo. Los nuevos desarrollos han incluido la modelización de la respuesta del tomógrafo por medio de la PSF con el fin de homogeneizar la resolución tomográfica en todo el campo de visión 7. En este trabajo se evalúan las características de funcionamiento de la componente PET del tomógrafo PET/TAC Biograph mct TrueV (Siemens Medical Solutions, EE. UU.). El equipo incorpora tanto la técnica de TOF como la modelización de la respuesta del equipo PSF. El modelo evaluado dispone además del campo axial extendido (21,8 cm frente a los 16,2 cm del campo estándar) y la nueva versión de software PETSyngo VG3. Las características y prestaciones del equipo se han evaluado usando el estándar de la National Electrical Manufacturers Association (NEMA) NU , así como otras pruebas de funcionamiento, mostrando de esta forma el impacto de la PSF y el TOF en la reconstrucción de las imágenes. Material y métodos Diseño del equipo El tomógrafo Biograph mct TrueV (Siemens Medical Solutions, EE. UU.) combina un tomógrafo TAC de 64 cortes modelo Somatom Definition AS y un tomógrafo PET con las técnicas TOF y PSF. La apertura del tomógrafo es de 78 cm y la longitud del túnel de 1 cm. La versión del software incorporada es la PETSyngo VG3. El tomógrafo TAC es un Somatom Definition AS, que adquiere imágenes con espesores de corte desde,5 mm hasta 2 mm. El tiempo de rotación mínimo es de,3 s. Los valores de tensión del tubo son 8, 1, 12 y 14 kv y la corriente del tubo puede variar de 2 hasta 8 ma. El tiempo máximo de adquisición por espiral es de 8 s. La resolución espacial de la imagen reconstruida es de,24 mm. El equipo de 64 cortes incorpora la tecnología de doble foco en el tubo de rayos x. La componente PET está constituida por cristales de LSO en 4 anillos, con un diámetro de 84,2 cm, agrupados en 48 bloques detectores. Cada bloque dispone de una matriz de cristales de mm. El campo transaxial de visión es de 7 cm y el axial de 21,8 cm, que corresponde a la opción TrueV (Siemens Medical Solutions) frente al campo estándar de 16,2 cm. En la imagen reconstruida hay 19 planos, con un espesor de corte de 2 mm. El equipo no tiene anillos septales, siendo la adquisición en modo 3D. La configuración de las líneas de coincidencia entre cristales de distintos anillos permite una diferencia máxima entre ellos de 49 anillos. Cuando las líneas de coincidencia se agrupan en planos, la diferencia máxima es de ±4 anillos para los planos directos y de ±5 anillos para los planos cruzados. En el tomógrafo hay 55 anillos: 52 anillos de detectores (4 bloques con 13 cristales cada uno) y 3 anillos virtuales, que corresponden a la posición física entre cada 2 bloques contiguos; de modo que el número de planos de la imagen 19 se corresponde a los 55 planos directos y 54 planos cruzados del segmento. Los 621 sinogramas están organizados en 9 segmentos (, ±1, ±2, ±3 y ±4) con 19, 97, 75, 53 y 31 sinogramas en cada uno de ellos, respectivamente, tal como se ilustra en el Michelograma 9 de la figura 1. La matriz de los sinogramas es de (muestreo radial muestreo angular). La adquisición se realiza con una ventana energética de 435 kev a 65 kev, siendo la ventana de coincidencia de 4,6 ns. La resolución energética media para todos los cristales es del 11,7% a 511 kev. El ángulo de aceptación es de 13,2, y está determinado por la siguiente fórmula: Ángulo = 2 arctg Diferencia máxima entre anillos Tamaño detector 2 diámetro del anillo La calibración del sistema y el control de calidad diario se realizan utilizando una fuente cilíndrica de 68 Ge de 85 MBq. Radiación intrínseca Los cristales centelleadores de LSO contienen el radionúclido 176 Lu, que se desintegra con una emisión beta acompañada por una cascada de rayos x y gamma. Esta radiación genera la detección de sucesos en coincidencia verdaderos (por la detección de la partícula beta en un cristal y los rayos gamma en otro cristal) y sucesos aleatorios (indistinguibles de los producidos por la radiación extrínseca debida a un paciente). Para evaluar la radiación intrínseca del 176 Lu se realizó una adquisición sin objetos ni radiactividad en el campo de visión durante 12 h. Resolución espacial La resolución espacial se evaluó siguiendo el protocolo NEMA NU usando una fuente puntual de 18 F. Esta se generó absorbiendo el radionúclido en una resina de mm insertada en un capilar de cristal de 1,1 mm de diámetro interno y con espesor de pared de,2 mm. La actividad de la fuente fue aproximadamente de 1 MBq. Las medidas fueron realizadas en 3 posiciones radiales [(x,y): (,1), (1,) y (,1) cm] de 2 planos axiales (en el centro y a un cuarto del campo axial de visión) usando un maniquí de resolución (Siemens NEMA kit, Siemens, EE. UU.) (fig. 2A). La imagen se reconstruyó con un reordenamiento FORE (fourier rebbining) y retroproyección (FBP) con filtro rampa en una matriz de 4 4 píxeles, con tamaño de píxel de 2,364 mm de lado y 2,27 mm de espesor de corte. Se determinó la anchura a mitad de altura (FWHM) y a un décimo de altura (FWTM) de la función de dispersión de punto en las 3 direcciones. Con el fin de investigar la variación de la resolución con otros métodos de reconstrucción distintos al establecido por NEMA, se reconstruyeron las imágenes aplicando un zoom de 2 con FORE+FBP y con la reconstrucción 3D-OP-OSEM+PSF (algoritmo Ordinary Poisson Ordered-Subset-Expectation-Maximization) que incorpora modelizaciones del equipo, incluida la respuesta del equipo a una fuente puntual PSF 7. Sensibilidad Se midió la sensibilidad siguiendo el procedimiento NEMA NU Para ello se utilizó un tubo cilíndrico de polietileno de 7 cm de longitud con diámetros interno y externo de 1 y 3 mm respectivamente, relleno con una solución de 1,8 MBq de 18 F, insertado en 5 cilindros concéntricos de aluminio de la misma longitud. Estos tenían el diámetro interno de 3,9 mm, 7, mm, 1,2 mm, 13,4 mm y 16,6 mm, y un espesor de pared de 1,25 mm (NEMA PET Sensitivity Phantom, Data Spectrum Corporation, EE. UU.). El tubo rodeado de los cilindros se situó en el centro del campo de visión, suspendido en el aire (fig. 2B). Se realizaron 5 adquisiciones de 3 s, quitando sucesivamente los cilindros, hasta finalizar con el de menor

3 Document downloaded from day 22/1/217. This copy is for personal use. Any transmission of this document by any media or format is strictly prohibited. J.M. Martí-Climent et al / Rev Esp Med Nucl Imagen Mol. 213;32(1): Anillo Segmento -4 Segmento -3 Segmento -2 Segmento -1 Segmento Anillo Segmento 1 Segmento 2 Segmento 3 Segmento 4 Figura 1. Michelograma de la adquisición del Biograph mct TrueV mostrando la organización de los 621 sinogramas. Cada punto indica que están permitidas las líneas de coincidencia entre detectores de esos anillos. En el segmento se muestra con líneas, sobre los puntos, aquellas líneas de coincidencia que se suman y contribuyen al mismo sinograma (plano). Se suman hasta 5 y 6 líneas en los planos directos y cruzados respectivamente. En el segmento hay 19 planos. Figura 2. Disposición de los maniquíes en las pruebas de caracterización del tomógrafo PET/CT Biograph mct. A) Fuente puntual insertada en un capilar y suspendida en el aire para medir la resolución tomográfica. B) Fuente lineal recubierta de cilindros de aluminio para la medida de la sensibilidad. C) Maniquí cilíndrico para la medida de la fracción de dispersión y de los sucesos en función de la actividad. D) Maniquí de calidad de imagen junto al de dispersión, que simula el cuerpo de un paciente.

4 Document downloaded from day 22/1/217. This copy is for personal use. Any transmission of this document by any media or format is strictly prohibited. 16 J.M. Martí-Climent et al / Rev Esp Med Nucl Imagen Mol. 213;32(1):13 21 diámetro. Se repitieron las adquisiciones colocando la fuente a 1 cm del eje del tomógrafo. Los sucesos verdaderos se corrigieron por la desintegración de la fuente de 18 F y se representó el número de sucesos en función del espesor de absorbente, ajustándose a una función exponencial. De esta manera se obtuvo por extrapolación la tasa de sucesos sin material absorbente. El cociente de este valor respecto a la actividad de la fuente determinó la sensibilidad del sistema. También se determinó el perfil de sensibilidad a lo largo del eje axial del campo de visión. Fracción de dispersión y medida de sucesos Siguiendo el protocolo NEMA NU 2-27 se realizó una única medida experimental para evaluar la fracción de fotones dispersos y los ritmos de sucesos dispersos, aleatorios y verdaderos. Para ello se utilizó un maniquí de polietileno de 7 cm de longitud con un diámetro externo de 2,3 cm, conteniendo (en un agujero cilíndrico de 6,4 mm situado a 4,5 cm del eje y paralelo al mismo) una fuente lineal (NEMA PET Scatter Phantom Set, Data Spectrum Corporation, EE. UU.). El maniquí se colocó sobre la camilla del tomógrafo centrado en el campo de visión y con la fuente lo más cercana posible a la camilla (fig. 2C). La actividad inicial de la fuente fue de 921 MBq de 18 F, suficiente para poder medir el pico de la tasa equivalente al ruido (NECR, noise equivalent count rate). Se adquirió una secuencia dinámica de 45 imágenes de 6 s cada 1.2 s, de forma que la exploración completa duró 14,8 h. Los sucesos aleatorios se midieron usando una ventana de coincidencia retrasada, y se suavizaron antes de realizar la sustracción; de este modo los sucesos aleatorios incluyen los debidos a la radiactividad intrínseca de los cristales de LSO. El análisis de los sinogramas, con un programa incorporado a la aplicación PETSyngo, permite evaluar el parámetro NECR a partir de los ritmos de sucesos verdaderos (R t,i,k ), totales (R Tot,i,k ) y aleatorios (R R,i,k ) en el plano i de la adquisición k según la expresión: NECR i,k = (R t,i,k ) 2 /(R Tot,i,k + k R R,k ) Donde k depende de los 2 posibles tratamientos de los sucesos aleatorios: k=1 si la sustracción de los sucesos aleatorios se realiza en tiempo real, y k= si los sucesos adquiridos incluyen los aleatorios, en cuyo caso se realiza la sustracción a posteriori. Precisión en las correcciones por los sucesos aleatorios y pérdida de sucesos Los sinogramas adquiridos en la prueba de fracción de dispersión y medida de sucesos se usaron para evaluar la precisión de las correcciones del tiempo muerto y de sucesos aleatorios, según NEMA NU Las imágenes se reconstruyeron por retroproyección (FORE+FBP) en matriz de 4 4, aplicando las correcciones de normalización, tiempo muerto, dispersión, sucesos aleatorios y atenuación (calculada, no medida). El error relativo del ritmo de recuento, definido como la diferencia entre los ritmos de recuento esperado y el medido respecto al ritmo esperado (en %), se cuantificó en una región de 18 cm de diámetro en todos los planos de la imagen reconstruida. La tasa de recuento esperada se obtuvo a partir de la extrapolación de las adquisiciones de menor actividad. Calidad de la imagen El propósito de esta prueba es evaluar la calidad de la imagen simulando una adquisición de cuerpo entero clínica. En ella se utilizó el maniquí de calidad de imagen o maniquí de cuerpo descrito en los documentos IEC y NEMA NU Este maniquí (PET Phantom equivalent to NEMA NU2-27, PTW, Alemania) está constituido por un compartimento o tanque antropomórfico que simula un torso de 3 cm de ancho y 23 cm en la dirección antero-posterior. En el maniquí hay 6 esferas de diámetro interno de 1, cm, 1,3 cm, 1,7 cm, 2,2 cm, 2,8 cm y 3,7 cm. Asimismo dispone de un cilindro (con un diámetro interno de 5 mm y de la misma longitud que el maniquí) centrado en el compartimento y relleno con un material de bajo número atómico para simular la atenuación del pulmón (densidad media,3 g/cm 3 ). Con el fin de simular la actividad fuera del campo de visión, se utilizó el maniquí de dispersión de 7 cm de longitud. El maniquí de cuerpo se rellenó con una solución radiactiva con 5,3 kbq/ml de 18 F. Las 2 esferas mayores se rellenaron de agua para simular lesiones frías, mientras que las 4 pequeñas se rellenan con una concentración de 18 F. Se realizaron 3 adquisiciones tales que el cociente de concentraciones esferas: fondo fuera de 8:1, 4:1 y 2:1. El maniquí se posicionó de modo que las esferas estuvieran en el mismo plano transversal, y que este coincidiera con el plano central del tomógrafo. Por otro lado, la fuente lineal del maniquí de dispersión se rellenó con 116 MBq de 18 F, simulando una concentración de 5,3 kbq/ml fuera del campo de visión del equipo. Este maniquí se situó junto con el maniquí de torso, en el lado más cercano a las esferas (fig. 2D). Para cada cociente de concentraciones se realizó una adquisición en modo lista y se reconstruyeron 3 imágenes consecutivas de duración 18 s, 183 s y 187 s. En la reconstrucción se aplicaron todas las correcciones (normalización, sucesos dispersos y aleatorios, tiempo muerto y atenuación con la TAC), utilizando una matriz de 2 2. Los algoritmos empleados para la reconstrucción de las imágenes fueron: (1) OSEM(2,8): 3D-OSEM con 2 iteraciones y 8 subsets, (2) OSEM(3,24): 3D-OSEM con 3 iteraciones y 24 subsets, (3) TOF: 3D-OSEM incorporando TOF con 3 iteraciones y 21 subsets, (4) PSF: 3D-OP-OSEM incorporando la PSF con 3 iteraciones y 24 subsets, (5) PSF+TOF: 3D-OP-OSEM incorporando la PSF y TOF con 3 iteraciones y 21 subsets. Todas ellas incluyeron un posfiltro gaussiano de 2 mm de resolución (FWHM). La evaluación de la calidad de imagen se realizó siguiendo el procedimiento NEMA NU 2-27, con un programa incorporado en la aplicación PETSyngo, incluyendo los siguientes parámetros: Porcentaje del contraste de las esferas calientes y frías. Se evaluó la concentración media en las esferas y en el fondo por medio de regiones de interés del tamaño de las esferas. Se determinó el contraste de las esferas calientes como el cociente (en %) del valor medido y el valor real de [esfera/fondo 1]. El contraste de las esferas frías fue [1 esfera/fondo] (%), utilizando los valores medidos. Porcentaje de variabilidad del fondo, calculado como el cociente entre la desviación estándar y el valor medio en 6 regiones del tamaño del diámetro de las esferas. Error residual, que evaluó la exactitud de las correcciones de dispersión y atenuación. Se obtuvo como el promedio del error en 5 planos. Este se obtuvo como el cociente entre el valor medio de la actividad en una región circular (de 3 mm de diámetro situada en el medio no uniforme, proporcionado por el cilindro que simula el pulmón) y el valor medio del fondo (evaluado en 6 regiones del mismo tamaño).

5 Document downloaded from day 22/1/217. This copy is for personal use. Any transmission of this document by any media or format is strictly prohibited. J.M. Martí-Climent et al / Rev Esp Med Nucl Imagen Mol. 213;32(1): Tabla 1 Resultados de la medida de la resolución espacial, medida con fuente puntual y reconstruida la imagen con diferentes métodos. La matriz es de 4 4 Distancia radial (cm) FORE+FBP Zoom = 1 FORE+FBP Zoom = 2 OP-OSEM+PSF Zoom = 1 FWHM (mm) Transversa 1 4,5 4,6 3,1 Axial 1 4,3 4,3 2,1 Transversa radial 1 5,1 5,2 2,3 Transversa tangencial 1 4,7 4,7 2,2 Axial 1 6, 6, 2,9 FWTM (mm) Transversa 1 8,8 8,8 5,5 Axial 1 8,4 8,4 3,7 Transversa radial 1 9,4 9,4 4,8 Transversa tangencial 1 9,4 9,4 4,5 Axial 1 11,2 11,2 5,3 Uniformidad tomográfica Para evaluar la uniformidad tomográfica se siguió el procedimiento NEMA NU Para ello se utilizó una fuente cilíndrica de 68 Ge (V = 8.47 ml, = 2 cm) de 78 MBq centrada en el campo de visión y desplazada verticalmente 2 mm para reducir la geometría de adquisición. Se adquirieron 2.88 millones de sucesos verdaderos. Las imágenes se reconstruyeron, en matriz de 2 2 píxeles, utilizando FORE+FBP con una corrección de atenuación analítica, con el fin de evitar posibles artefactos, así como con las correcciones de dispersión, sucesos aleatorios, normalización y tiempo muerto. Para la medida de la uniformidad se determinaron: 1) las desviaciones máxima (NUmax) y mínima (NUmin) y el coeficiente de variación (CV) para cada plano, 2) la variabilidad dentro de todo el campo de visión (uniformidad del volumen), y 3) la variabilidad entre cortes (uniformidad del sistema). Resultados Radiación intrínseca La radiación intrínseca del 176 Lu produce una radiación de fondo que, medida sin objetos ni actividad en el campo de visión durante 12 h, produce una tasa de sucesos sencillos detectados total de 927 kcps, y de 4,8 kcps por bloque detector. Estas detecciones comportan un ritmo total de coincidencias de 1.29 cps, siendo la tasa total de coincidencias verdaderas de 4,42 cps. Resolución espacial En la tabla 1 se resumen los resultados de las medidas de la resolución espacial en aire del tomógrafo Biograph mct TrueV. La resolución transversa en el centro del campo de visión es de 4,5 mm y la axial de 4,3 mm. A los 1 cm del eje del tomógrafo la resolución radial se degrada a 5,1 mm debido al error de paralaje. El valor promedio de la resolución es, respectivamente, de 4,4 mm y 5,3 mm, a 1 cm y 1 cm del eje del tomógrafo. La introducción de un factor de zoom de 2 no mejora la resolución. Sin embargo, si se introducen los nuevos métodos de reconstrucción tomográfica (OP-OSEM+PSF) la resolución mejora hasta 2,6 mm y 2,5 mm a 1 cm y 1 cm (respectivamente) del centro del campo de visión. Sensibilidad La sensibilidad absoluta del tomógrafo es de 1,9 kcps/mbq (1,9%) cuando la fuente lineal se posiciona en el centro del campo de visión. Cuando se desplaza a 1 cm la sensibilidad disminuye a 1,2 kcps/mbq (1,2%). En la figura 3A se muestra el perfil de la sensibilidad axial, para la fuente lineal en las 2 posiciones. Dicho perfil Desviación relativa (%) Sensibilidad/LC (cps/mbq /líneas) Líneas de coincidencia Sensibilidad (cps/mbq) , 3, 2, 1, cm 1 cm 1 cm, cm NUmax CV NUmin Plano Plano Plano Plano Figura 3. Sensibilidad y uniformidad. A) Perfil de la sensibilidad axial, para la fuente lineal a y 1 cm del centro. B) Líneas de coincidencia de los 19 planos haciendo un reordenamiento SSRB. C) Sensibilidad normalizada al número de líneas de coincidencia (LC) del Michelograma con SSRB. D) Uniformidad de cada plano: desviaciones relativas máxima y mínima, y coeficiente de variación (desviación estándar relativa).

6 Document downloaded from day 22/1/217. This copy is for personal use. Any transmission of this document by any media or format is strictly prohibited. 18 J.M. Martí-Climent et al / Rev Esp Med Nucl Imagen Mol. 213;32(1):13 21 Fracción de dispersión (%) A NECR (kcps) B NECR (k=) NECR (k=1) Actividad (kbq/ml) Actividad (kbq/ml) Actividad (kbq/ml) C Tasa de sucesos (kcps) 25 Tasa de totales Tasa de verdaderos Tasa de aleatorios 2 Tasa de dispersos D E Aleatorios / Verdaderos 2,5 2, 1,5 1,,5,3,2,1, Desviación (%) Máxima Media Desv. estándar, Actividad (kbq/ml) Actividad (kbq/ml) Figura 4. Fracción de dispersión, medida de sucesos y correcciones. A) Fracción de dispersión en función de la concentración de actividad. B) Curvas NECR en función de la concentración de radiactividad dentro del maniquí. C) Medida de la tasa de sucesos totales, verdaderos, aleatorios y de dispersión en función de la concentración de radiactividad en el maniquí. D) Cociente entre el ritmo de sucesos aleatorios y el ritmo de los sucesos verdaderos, en el rango -45 kbq/ml y detalle en el rango - 4 kbq/ml. E) Desviaciones de los ritmos medidos respecto de los esperados en la imagen reconstruida en función de la concentración de radiactividad. presenta una forma triangular, con un máximo a unos 185 cps/mbq. En la fig. 3B se presenta el número de líneas de coincidencia de los 19 planos haciendo un reordenamiento SSRB (Single Slice Rebbining). Las detecciones de las líneas de coincidencia de cada plano oblicuo (para los segmentos distintos de ) del Michelograma se han asignado al plano del segmento en el que todas las líneas se cruzan (y cortan el eje del tomógrafo). En la fig. 3C se muestra la sensibilidad por plano normalizada al número de líneas de coincidencia del plano (LC) en el Michelograma, considerando un reordenamiento SSRB. El valor promedio obtenido de la sensibilidad en cada plano es de 4, cps/mbq/lc y 3,8 cps/mbq/lc en el centro y a 1 cm del eje, respectivamente. Fracción de dispersión, pérdida de sucesos y sucesos aleatorios La fracción de dispersión medida a bajas concentraciones de actividad fue inferior al 34% (fig. 4A), concretamente del 32,7 y 33,4% para concentraciones de,49 kbq/ml y 5,4 kbq/ml respectivamente. El pico NECR (fig. 4B) se produjo en 182 kcps a 27,8 kbq/ml con la corrección de sucesos aleatorios por suavizado (k=) y en 127 kcps a 21,6 kbq/ml para la sustracción en tiempo real de los sucesos aleatorios (k=1). En la fig. 4C se muestra la variación de los sucesos totales, verdaderos, aleatorios y dispersos en función de la concentración de la actividad. El pico de sucesos verdaderos se produjo a una tasa superior y a una actividad superior a las medidas experimentalmente (628 kcps a 4,6 kbq/ml). En la fig. 4D se presenta la razón entre los sucesos aleatorios y los sucesos verdaderos, con un mínimo a,49 kbq/ml. Precisión en las correcciones por los sucesos aleatorios y pérdida de sucesos En el análisis de las correcciones por pérdida de sucesos se obtuvo la desviación de los ritmos medidos respecto a los esperados. En la figura 4E se representan la desviación máxima y media, y la desviación estándar para cada concentración de actividad en el maniquí. Las desviaciones máxima y media fueron del 6,5 y 1,5% para la concentración de 27,8 kbq/ml del máximo NECR. Calidad de la imagen Las imágenes reconstruidas con el maniquí de calidad de imagen, en el corte central, para los 3 contrastes y las 5 reconstrucciones se muestran en la figura 5A. Se observa la correlación entre el contraste de la imagen y el nivel de ruido tanto para los distintos algoritmos de reconstrucción como para los diferentes contrastes esfera: fondo. Asimismo, en la figura 5 se muestran, para cada contraste, los valores medidos del contraste de las esferas calientes y frías así como la variabilidad del fondo. El error residual medido en el inserto que simula el pulmón para las distintas reconstrucciones fue: 41,6% con OSEM (2,8), 16,7% con OSEM (3,24), 8,3% con TOF, 16,% con PSF y 7,6% con PSF+TOF, promediado para los 3 contrastes esfera: fondo. Uniformidad tomográfica En la adquisición de la prueba de uniformidad tomográfica el número total de coincidencias verdaderas por plano fue de

7 Document downloaded from day 22/1/217. This copy is for personal use. Any transmission of this document by any media or format is strictly prohibited. J.M. Martí-Climent et al / Rev Esp Med Nucl Imagen Mol. 213;32(1): A OSEM (2,8) OSEM (3,24) TOF PSF PSF+TOF 12 8:1 SUV 6 4:1 SUV 3 Contraste (%) 2:1 B C D E : Diámetro (mm) :1 2: Diámetro (mm) Diámetro (mm) Variabilidad (%) Diámetro (mm) SUV 4 OSEM (2,8) OSEM (3,24) TOF PSF PSF+TOF Figura 5. Calidad de la imagen según el método de reconstrucción tomográfica. Corte transversal de la imagen reconstruida del maniquí de calidad de imagen con concentración esfera: fondo de 8:1, 4:1 y 2:1 (A). Contraste de las esferas para los contrates 8:1 (B), 4:1 (C) y 2:1 (D). Las 4 esferas pequeñas son calientes y las 2 grandes son frías. Variabilidad del fondo (E). 26,4 millones. En la fig. 3D se muestran las desviaciones máxima y mínima y el coeficiente de variación de cada plano, observándose que no hay una falta de uniformidad sistemática en los planos centrales. Los valores parecen reflejar la incertidumbre estadística. Los parámetros que miden la falta de uniformidad del volumen y del sistema se resumen en la tabla 2. Discusión El tomógrafo PET/TAC modelo Biograph mct TrueV incorpora los últimos avances de la tecnología PET, destacando la técnica del TOF y la modelización PSF de la respuesta del equipo para compensar la degradación de la resolución espacial. Además el equipo objeto de este estudio dispone del campo axial extendido. Este equipo incorpora también la nueva versión del software PETSyngo VG3, diferente de la utilizada en los primeros equipos 12. Las características de funcionamiento se han evaluado siguiendo los estándares de NEMA NU 2-27 y se han extendido a otras pruebas, así como a distintos métodos de reconstrucción tomográfica. La radiación intrínseca del 176 Lu, con una abundancia del 2,6% en el lutecio natural, es menor que la descrita en la literatura, incluso con el modelo de este equipo con campo extendido pero sin TOF 13, Tabla 2 Parámetros de la uniformidad tomográfica evaluados según NEMA NU NUmax a (%) Numin b (%) CV c (%) Uniformidad del volumen 59,4 57,8 4,7 Uniformidad del sistema 3,6 1,2,8 a Desviación maxima. b Desviación mínima. c Coeficiente de variación. lo que puede atribuirse a una menor ventana de coincidencia de este tomógrafo (4,6 ns frente a los 4,1 ns utilizada en el modelo anterior). Este ritmo de coincidencias puede considerarse despreciable, no siendo necesario realizar correcciones por este efecto al medir la sensibilidad o la fracción de dispersión con bajas actividades. La resolución espacial del equipo es de 4,4 mm y 5,3 mm a 1 cm y 1 cm del centro del campo de visión, medida según NEMA NU 2-27 con reconstrucción FBP. Con la introducción de los métodos iterativos que incorporan la modelización del sistema (3D-OP+OSEM+PSF), la resolución es mejor y más homogénea en el campo de visión (2,6 y 2,5 mm a 1 cm y 1 cm del centro del campo de visión), esta mejora es atribuible a la modelización de la respuesta del equipo a una fuente puntual (PSF). La sensibilidad media para una fuente lineal, definida como el promedio en las posiciones a cm y 1 cm de distancia al centro del campo de visión, es de 1,5 kcps/mbq, superior a la de otros tomógrafos con campo axial extendido, tanto del Biograph True- Point TrueV (8, kcps/mbq) 13 como del primer equipo instalado Biograph mct (9,6 kcps/mbq) 12. El perfil de sensibilidad obtenido se corresponde al perfil del número de líneas de coincidencia por plano. Estos perfiles tienen la forma triangular característica de una adquisición en modo 3D. Sin embargo, muestran pequeñas discontinuidades debido a que los anillos de detección 14, 28 y 42 son virtuales, y en consecuencia no tienen líneas de coincidencia (no hay puntos en el Michelograma de la figura 1). La curva del cociente entre los sucesos aleatorios y los verdaderos muestra la importancia relativa de los sucesos aleatorios frente a los verdaderos al aumentar la concentración de actividad. Asimismo, muestra que a muy bajas concentraciones el cociente aumenta debido a la radiactividad intrínseca de los cristales de LSO. El parámetro NECR, con un pico de 182 kcps a 27,8 kbq/ml, es similar al del primer modelo Biograph mct (18,3 kcps) 12.

8 Document downloaded from day 22/1/217. This copy is for personal use. Any transmission of this document by any media or format is strictly prohibited. 2 J.M. Martí-Climent et al / Rev Esp Med Nucl Imagen Mol. 213;32(1):13 21 La fracción de dispersión para una concentración homogénea de 5,4 kb/ml, correspondiente a la de los estudios clínicos en los que se administra una actividad de 37 MBq a un paciente de 7 kg, es del 33,4%. Las correcciones por pérdida de sucesos suponen un error medio menor del 2% para concentraciones de actividad inferiores a 31 kbq/ml. El objetivo de la prueba de calidad de imagen es producir imágenes que simulen las obtenidas en los estudios de cuerpo entero con lesiones calientes y frías 8. Para ello se utiliza una concentración en el maniquí que representa el nivel de fondo en un paciente de 7 kg después de la administración de 37 MBq de 18 F. El protocolo NEMA NU 2-27 sugiere simular una adquisición de cuerpo entero de 1 cm de campo axial en 6 min. Para el equipo Biograph mct TrueV, que dispone del campo axial de 21,8 cm (con un solapamiento de unos 9,5 cm entre campos consecutivos), el estudio se realizaría con 7 posiciones de camilla del paciente, cubriendo 98 cm con 8,6 min por posición. Dado que este tiempo es muy elevado en comparación con el tiempo de adquisición de las imágenes clínicas (incluso menores de 3 min por posición de camilla), se optó por realizar las adquisiciones de 3 min aproximadamente (compensando por la desintegración radiactiva) y así obtener valores más propios de un estudio clínico. Asimismo, se ha extendido las medidas incluyendo el contraste 2:1 entre las esferas y el fondo, no contemplado por NEMA, y se han evaluado distintos algoritmos de reconstrucción. En las esferas calientes de las imágenes reconstruidas con PSF se identifica el «artefacto de borde», causado intrínsecamente por la modelización de la respuesta del equipo de la degradación de la resolución espacial, ya descrita por otros autores 14,6. El contraste de las esferas frías es mejor cuando se incluye el TOF, no observándose mejora tan importante cuando se incluye la PSF, tanto al TOF como al OSEM. Estos valores son similares para los 3 experimentos con diferente relación de la concentración de actividades esfera: fondo. Sin embargo, para el contraste de las esferas calientes la mejora más importante se obtiene al incorporar la PSF en la reconstrucción, siendo menor el impacto del TOF. En los contrates 8:1 y 4:1, y en especial en las esferas pequeñas, el impacto de los nuevos algoritmos de reconstrucción es más marcado, ya que al aportar una mejor resolución se produce un mayor contraste de las esferas. Los mejores contrastes se obtienen cuando se utiliza simultáneamente TOF y PSF en la reconstrucción. Para la variabilidad del fondo y el error relativo en el pulmón se han mostrado los resultados promedio de las medidas efectuadas con los 3 contrastes esfera: fondo, ya que no depende de la actividad de las esferas y sí de la actividad del fondo (que era la misma en los 3 experimentos). La variabilidad del fondo más baja se ha obtenido para la reconstrucción OSEM (2,8). Esta proporciona la imagen más suavizada de todas y con menor contraste, sin embargo se ha incluido en este estudio por ser una forma de reconstrucción habitual en la anterior generación de tomógrafos PET. Cuando se incorporan las nuevas técnicas de reconstrucción, la menor variabilidad se obtiene para el uso conjunto de PSF y TOF, siendo prácticamente igual que usando solo PSF. Estas imágenes son las que presentan una mayor uniformidad en la actividad de fondo del maniquí. El error relativo en el pulmón, que proporciona información de las correcciones de atenuación y de dispersión, es menor cuando se incorpora la información del TOF. Por otro lado, el uso de la PSF apenas mejora los resultados ya obtenidos con la TOF o con OSEM (3,24). Este comportamiento de los algoritmos de reconstrucción es similar al evaluar el contraste frío y el error en el pulmón, ya que se está midiendo la radiactividad en un elemento (esfera o pulmón) en el que no hay actividad, y solo varía el medio (agua y material que simula el pulmón con número atómico y densidad baja). Estos resultados y comportamientos están de acuerdo con los obtenidos en otros equipos que incorporan estas técnicas en la reconstrucción tomográfica 6,14. La prueba de uniformidad no está incluida en la norma NEMA UN 2-27 pero sí lo estaba en su edición del año De hecho no hay consenso en la metodología de la prueba ni en los parámetros cuantitativos para su análisis; sin embargo está considerada como prueba de calidad rutinaria por el Organismo Internacional de la Energía Atómica 15, que propone seguir el estándar NEMA UN Los parámetros que miden la falta de uniformidad del equipo Biograph mct TrueV son similares a los descritos en la literatura en una adquisición 3D 16. La variabilidad y peor uniformidad tomográfica observada en los extremos del campo de visión es debida a la disminución de la sensibilidad en esos planos, más marcada debido al modo de adquisición 3D de este tomógrafo. Esta diferencia de sensibilidad entre los extremos y el centro del campo axial de visión se compensa en los estudios clínicos con el solapamiento entre campos consecutivos, que para este equipo es de 9,5 cm. La mejor uniformidad tomográfica con los nuevos métodos de reconstrucción se ha puesto de manifiesto al evaluar la variabilidad de la actividad de fondo en la prueba de calidad de imagen, donde la reconstrucción PSF+TOF tiene los mejores resultados para todos los tamaños de las diferentes regiones. Conclusiones Se ha caracterizado el tomógrafo PET/TAC Biograph mct TrueV que dispone de la técnica de TOF, modeliza la respuesta a una fuente puntual, tiene el campo axial extendido e incorpora la última versión de software PETSyngo VG3, conforme a la norma NEMA NU Además se han realizado otras pruebas y se han incluido las reconstrucciones propias del TOF y de la modelización de la respuesta del equipo. El tomógrafo tiene muy buenas características de funcionamiento y la calidad de la imagen mejora al incorporar en la reconstrucción la información de la PSF y el TOF. Las imágenes obtenidas con el maniquí de calidad, que simula el torso de un paciente con lesiones frías y calientes y una región pulmonar, mostraron mejores resultados al incluir conjuntamente la PSF y el TOF en la reconstrucción. La PSF destacó al aportar mayor contraste en las esferas calientes y una menor variabilidad de la actividad de fondo, mientras que el TOF aportó las mejoras más importantes en el aumento del contraste de las esferas frías y en una reducción de la actividad residual en el inserto pulmonar. Financiación El desarrollo de esta investigación ha sido parcialmente financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad, Instituto de Salud Carlos III, proyecto ADE1/28. Conflicto de intereses Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses. Agradecimientos Los autores agradecen al personal del laboratorio PET-GMP de la Clínica Universidad de Navarra el suministro del material radiactivo con las actividades y las concentraciones necesarias para la realización de las pruebas. El desarrollo de esta investigación ha sido parcialmente financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad, Instituto de Salud Carlos III, proyecto ADE1/28. Bibliografía 1. Martí-Climent JM, García Velloso MJ, Serra P, Boán JF, Richter JA. Tomografía por emisión de positrones con un equipo PET/TAC. Rev Esp Med Nucl. 25;24:6 76.

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