Istituto Europeo di Oncologia
Lunedì, 21 Novembre 2011
Cosa è cambiato tecnologicamente:
La PET/TC
Cinzia Pettinato
Servizio di Fisica Sanitaria
A.O. S.Orsola Malpighi, Bologna
DESIGN DEI SISTEMI COMMERCIALI
Casa
costruttrice
GE Healthcare
Philips
Modello
Rivelatori PET
N° sezioni
multislice TC
Discovery
PET/TC 600
BGO
8/16
Discovery VCT
BGO
64
Discovery
PET/TC 690
LYSO
64
Gemini TF
LYSO
6/16
Gemini TF Big
Bore
LYSO
16/64/128*
Biograph
TruePoint
LSO
6/16/40/64
Biograph mCT
LSO
40/64/128
Siemens
In rosso i sistemi TOF
SISTEMI COMMERCIALI TOF
PHILIPS
GEMINI TF, (TF big bore)
mm3
LYSO: 4x4x22
FOV assiale: 18 cm
TC: 16/64 (16) slice
Apertura: 70 (85) cm
SIEMENS
BIOGRAPH mCT
LSO: 4x4x20 mm3
FOV assiale: 16.2
(21.6) cm
TC: 40/64/128 slice
Apertura: 78 cm
GENERAL ELECTRIC
DISCOVERY 690
LYSO: 4.2x6.2x25 mm3
FOV assiale: 15.7 cm
TC: 16/64 (16) slice
Apertura: 70 cm
Time-of-Flight (TOF)
Time of Flight (TOF) systems measure the time between each
coincidence photon to determine the event location along the
line of response. The event location accuracy can be measured
proportionally to the system’s time resolution.
TOF systems are able to record segments of response instead
of lines of response. The time resolution defines the size of the
segment of response (“time bin”).
Conventional line of response
T2
T1
0
x
Segments of response (“time bins”)
s
x
(T 2 T 1) c
2
c = speed of light
s => directly proportional to
the system’s time resolution
Courtesy of M. Conti
RIVELAZIONE DEI SEGNALI
PET convenzionale
t = 1 ns
t = 500 ps
SNR gain= guadagno in SNR con la TOF
D = diametro dell’oggetto
SNR gain = D / 1.6 x
2D / 1.6 c t
GUADAGNO SNR
SNR gain
2D / 1.6 c t
8,0
7,0
SNR gain
6,0
5,0
D=20 cm
D=30 cm
4,0
D=40 cm
D=50 cm
3,0
2,0
1,0
0,0
200
400
600
800
risoluzione temporale
1000
GUADAGNO SNR
IMMAGINI TOF
Cortesia Dr. M. Farsad, Bolzano
IMMAGINI TOF
Cortesia Dr. M. Farsad, Bolzano
IMMAGINI TOF
4-year old
Courtesy of Siemens
Courtesy of Philips
CI SI PUO’ ACCONTENTARE DELLA TOF?
PIUTTOSTO CHE NIENTE
MEGLIO PIUTTOSTO
NO,
BISOGNA MIGLIORARE ALCHE LA SENSIBILITA’
E LA RISOLUZIONE SPAZIALE
AUMENTO DELLA SENSIBILITA’
• cristalli più spessi
Da 20 mm a 30 mm
sensibilità aumenta: 40%
B
CD
(511 keV)
• FOV assiale più ampio
Da 15 cm a 22 cm
sensibilità aumenta: 77%
Aumentare il FOV implica aumentare lo scatter, le random ed il
tempo morto: servono algoritmi di correzione opportuni.
> RISOLUZIONE SPAZIALE
FWHMtot
a ( FWHM DET ) 2 ( FWHM NONCOLL ) 2 ( FWHM RANGE ) 2 ( FWHMCODING ) 2 ( FWHM DOI ) 2
a: contributo dovuto all’algoritmo di
ricostruzione
1 ≤ a ≤ 1.3
FWHMDET : dipende dalle dimensioni
transass. dei cristalli.
FWHMDET ~ d/2
d = dimensione transassiale cristalli
FWHMNON COLL : dipende dalla non
collinearità dei fotoni a 511 KeV
FWHMNON COLL ~ 0.0022*D
D = distanza tra i due rivelatori in
coincidenza
FWHMRANGE : dipende dal range del
positrone
Dipende dal tipo
impiegato:
F18: 0.22 mm
O15: 1.22 mm
FWHMCODING : dipende dalla codifica dei
segnali da parte dei PMT
Nei sistemi a blocchi di rivelatori
FWHMCODING ~ 1mm
FWHMDOI : dipende dalla Depth of
Interaction
R= distanza dal centro
FWHM DOI
R= raggio anelli
di
radioisotopo
r
r
2
R2
> RISOLUZIONE SPAZIALE
FWHMtot
a ( FWHM DET ) 2 ( FWHM NONCOLL ) 2 ( FWHM RANGE ) 2 ( FWHMCODING ) 2 ( FWHM DOI ) 2
a: contributo dovuto all’algoritmo di
ricostruzione
1 ≤ a ≤ 1.3
FWHMDET : dipende dalle dimensioni
transass. dei cristalli.
FWHMDET ~ d/2
d = dimensione transassiale cristalli
FWHMNON COLL : dipende dalla non
collinearità dei fotoni a 511 KeV
FWHMNON COLL ~ 0.0022*D
D = distanza tra i due rivelatori in
coincidenza
FWHMRANGE : dipende dal range del
positrone
Dipende dal tipo
impiegato:
F18: 0.22 mm
O15: 1.22 mm
FWHMCODING : dipende dalla codifica dei
segnali da parte dei PMT
Nei sistemi a blocchi di rivelatori
FWHMCODING ~ 1mm
FWHMDOI : dipende dalla Depth of
Interaction
R= distanza dal centro
FWHM DOI
R= raggio anelli
di
radioisotopo
r
r
2
R2
IL PROBLEMA DELLA DOI
V. Bettinardi
IL PROBLEMA DELLA DOI
soluzione hardware
Un sistema commerciale per piccoli animali: Explore Vista (GE)
Un sistema prototipo per studi cerebrali HRRT (Siemens)
Phosphwich detectors: due strati di cristalli, aventi
diverse velocità di risposta, e PMT “position
sensitive” per identificare la DOI
IL PROBLEMA DELLA DOI
Soluzione software
Viene eseguita una mappatura
della risposta del sistema
mediante misura della PSF a
diverse posizioni.
Tale caratterizzazione viene
inserita
nel
loop
di
ricostruzione iterativa.
Primo sistema commerciale
Siemens, ora disponibile per
tutti i sistemi:
HD-PET (Siemens)
SharpIR (GE)
Astonish TF (Philips)
TOF + PSF
> RISOLUZIONE SPAZIALE
FWHMtot
a ( FWHM DET ) 2 ( FWHM NONCOLL ) 2 ( FWHM RANGE ) 2 ( FWHMCODING ) 2 ( FWHM DOI ) 2
a: contributo dovuto all’algoritmo di
ricostruzione
1 ≤ a ≤ 1.3
FWHMDET : dipende dalle dimensioni
transass. dei cristalli.
FWHMDET ~ d/2
d = dimensione transassiale cristalli
FWHMNON COLL : dipende dalla non
collinearità dei fotoni a 511 KeV
FWHMNON COLL ~ 0.0022*D
D = distanza tra i due rivelatori in
coincidenza
FWHMRANGE : dipende dal range del
positrone
Dipende dal tipo
impiegato:
F18: 0.22 mm
O15: 1.22 mm
FWHMCODING : dipende dalla codifica dei
segnali da parte dei PMT
Nei sistemi a blocchi di rivelatori
FWHMCODING ~ 1mm
FWHMDOI : dipende dalla Depth of
Interaction
R= distanza dal centro
R= raggio anelli
di
radioisotopo
FOTODETETTORI
I PMT tradizionali sono diffusamente impiegati per convertire gli
eventi luminosi di scintillazione in segnali elettrici da decenni.
Le loro caratteristiche più importanti sono:
- l’elevato guadagno
- il basso rumore
- la risposta veloce
Limiti:
- Dimensioni
- elevata sensibilità ai campi magnetici
CI SONO ALTERNATIVE?
FOTODETETTORI
APD
Avalance Photo Diode
SiPM
Fotomoltiplicatore al Silicio
Potrebbero azzerare il fattore “b” della FWHM
Non utilizzati
commerciali
PET/TC
Sono semiconduttori
sensibilinei
allatomografi
luce
Detto
anche fotodiodo
a valanga Geiger
visibile o vicino agliInteressanti
UV. Gli elettroni
per i tomografi
PET/RM
Un fotodetettore
SiPM consiste in una
creati dall’interazione con i fotoni
luminosi vengono moltiplicati con un
effetto a valanga simile a quello dei
PMT.
matrice di piccole celle APD (<20x20 –
100x100 m2) ciascuna operante in
modalità Geiger.
Guadagno: 102-103
Efficienza: 60-80 %
Insensibilità ai campi magnetici
Dimensioni ridotte: 5x5 mm 1.5 mm th
Possibilità di accoppiamento 1:1 con i
cristalli
Guadagno: 106
Efficienza: <40%
Insensibilità ai campi magnetici
Dimensioni ridotte
Possibilità di accoppiamento 1:1 con i
cristalli
Scintillatori in PET
Tabelle ricche e dettagliate ma se ne usano solo 2
nei sistemi TF: LSO e LYSO.
SPAZIO PER NUOVI RIVELATORI?
semiconduttori
Conversione diretta dei fotoni in
cariche elettriche.
CdTe e CdZnTe (CZT):
- risoluzione energetica a 511 KeV <
2%
- lavorano a temperatura ambiente
- piccole
dimensioni
SE NE PARLA DAL 2007 MA SIAMO
FERMI A
LIVELLO DI PROTOTIPI
elevate
tolleranze
O MODELLI PER PICCOLI ANIMALI ai campi
magnetici.
RPC: Resistive Plate Chamber
- Ottima risoluzione temporale <300 ps
- TOF
- Elevata risoluzione spaziale
- DOI
- si possono costruire di grandi
dimensioni (FOV assiali fino a 2 m)
- bassa efficienza rispetto agli
scintillatori: ma posso aumentare il
numero di strati
STATO DELL’ARTE DEI SISTEMI TC
Tutti i sistemi PET/TC “stato dell’arte” montano il top della
tecnologia PET ed il top della tecnologia TC.
La TC per la sola correzione dell’attenuazione e fusione di
immagini non basta più:
- protocolli PET/TC con contrasto
- protocolli di angio-PET/TC cardiologici
ATTENZIONE ALLA DOSE!!!
STATO DELL’ARTE DEI SISTEMI TC
Si è passati da sistemi di modulazione della DOSE semplici ad
algoritmi di ricostruzione iterativi per le immagini TC che
consentono di ottenere immagini TC di ottima qualità a partire
da dati acquisiti a basse dosi.
SIEMENS: IRIS (Iterative Reconstruction in Image Space)
GE:ASIR (Adaptive Statistical Image Reconstruction)
PHILIPS:iDOSE
Iterative Reconstruction in Image Space
60% dose reduction
Full dose without IRIS
60% less dose with IRIS
Hara et al. AJR:193, Sept 2009
Grazie per l’attenzione