Παρακαλώ χρησιμοποιήστε αυτό το αναγνωριστικό για να παραπέμψετε ή να δημιουργήσετε σύνδεσμο προς αυτό το τεκμήριο: http://artemis.cslab.ece.ntua.gr:8080/jspui/handle/123456789/14458
Τίτλος: Μοντελοποιηση Κλινικων Τομογραφικων Συστηματων Με Χρηση Του Monte Carlo Πακετου Λογισμικου Προσομοιωσης Gate
Συγγραφείς: Καρακατσανης Α. Νικολαος
Νικήτα Κωνσταντίνα
Λέξεις κλειδιά: τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων
pet
ιχνηθέτης
μοντελοποίηση
προσομοίωση
πυρηνική ιατρική απεικόνιση
πυρηνική ιατρική
ημιτονόγραμμα
ανακατασκευή
σύστημα απεικόνισης
gate
επαναληπτικοί αλγόριθμοι
monte carlo
stir
reconstruction
simulation
hr+
Ημερομηνία έκδοσης: 3-Νοε-2005
Περίληψη: ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η ανίχνευση των βασικών χημικών δυσλειτουργιών σε ένα βιολογικό σύστημα κατά την διάρκεια των πρώτων σταδίων εξέλιξής τους αποτελεί ένα πολύ σημαντικό παράγοντα για την επιλογή της πιο επιλεκτικής και κατάλληλης θεραπείας μιας πάθησης.Οι τεχνολογίες απεικόνισης αξιοποιούν την πιο ανεπτυγμένη αίσθηση του ανθρώπου, την όραση, με σκοπό την αναζήτηση, ανίχνευση και διάγνωση μιας βιοχημικής δυσλειτουργίας. Η Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίων παρέχει τα μέσα για την απεικόνιση των ρυθμών εξέλιξης των βιολογικών διαδικασιών in vivo. Ο υπολογισμός αυτών των ρυθμών επιτυγχάνεται μέσω της ολοκλήρωσης δύο σπουδαίων πρόσφατων τεχνολογιών: της μεθόδου εκτίμησης των χαρακτηριστικών κίνησης του ιχνηθέτη και της υπολογιστικής τομογραφίας (CT). Η κατανομή του ιχνηθέτη στο εσωτερικό ενός ιστού παρέχεται από ένα απεικονιστικό σύστημα PET με αποτέλεσμα την δημιουργία μιας τρισδιάστατης εικόνας ανατομικής κατανομής της υπό μελέτη βιολογικής διαδικασίας.Επομένως η Τομογραφία Εκπομπής και ιδιαίτερα το PET αποκτούν ταχύτατα έναν σημαντικό ρόλο στην θεραπεία και διάγνωση της σύγχρονης Ιατρικής. Παράλληλα, οι σημερινές προδιαγραφές που αφορούν ποιότητα εικόνας, ακρίβεια και ταχύτητα επεξεργασίας έχουν αυξημένες απαιτήσεις. Και οι δύο αυτοί παράγοντες οδήγησαν σε μια τεράστια αύξηση των ερευνητικών προσπαθειών στο χώρο της Πυρηνικής Ιατρικής Απεικόνισης. Οι προσομοιώσεις Monte Carlo (MC) αποδείχθηκε ότι αποτελούν ένα απαραίτητο και αποτελεσματικό εργαλείο για τις δυνατότητες σύγχρονης και μελλοντικής ανάπτυξης της τομογραφίας εκπομπής, ιδιαίτερα ύστερα από την αύξηση της διαθεσιμότητας υπολογιστικών συστημάτων παράλληλης αρχιτεκτονικής (clusters).Επομένως οι προσομοιώσεις Monte Carlo μπορούν να αξιοποιηθούν από την Πυρηνική Ιατρική με στόχο την σχεδίαση νέων ιατρικών συστημάτων απεικόνισης, την βελτιστοποίηση πρωτοκόλλων απόκτησης δεδομένων, την ανάπτυξη και αξιολόγηση αλγορίθμων ανακατασκευής της εικόνας και τεχνικές διόρθωσης σκέδασης έτσι ώστε να βελτιωθεί η διαδικασία ποσοτικοποίησης της εικόνας. Το GATE (Geant4 Application for Tomographic Emission) αποτελεί μια πλατφόρμα λογισμικού βασισμένη στον αλγόριθμο γενικού σκοπού (general purpose) GEANT4 και έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να ικανοποιεί τις ειδικές ανάγκες των εφαρμογών PET/SPECT. Ενσωματώνει τις βιβλιοθήκες του Geant4 σε ένα σύνολο από εργαλεία το οποίο είναι καλά δομημένο, έχει την δυνατότητα προσαρμογής σε πολλές εφαρμογές και ορίζεται με την χρήση μακροεντολών.. Το GATE περιλαμβάνει εξειδικευμένες μονάδες οι οποίες είναι απαραίτητες για την εκτέλεση ρεαλιστικών προσομοιώσεων όπως μονάδες διαχείρισης χρόνου ή διαδικασιών με χρονική εξάρτηση (π.χ. κινήσεις ανιχνευτών και πηγών, ραδιενεργές εκπομπές και δυναμικές λήψεις δεδομένων) , σύνθετες κατανομές πηγών ακτινοβολίας και απλή περιγραφή της γεωμετρίας του συστήματος ανίχνευσης. Η ικανότητα συγχρονισμού όλων των χρονικά εξαρτώμενων τμημάτων της προσομοίωσης επιτρέπει μια σαφή περιγραφή της διαδικασίας λήψης δεδομένων και παράλληλα αποτελεί ένα από τα πιο πρωτοποριακά χαρακτηριστικά του GATE. Το πρόγραμμα GATE είναι ανοιχτού κώδικα (Open Source) ενώ η ανάπτυξη κι επικύρωση του πραγματοποιούνται από τα μέλη του OpenGATE Collaboration. Για τους παραπάνω λόγους επιλέχθηκε το GATE ως το εργαλείο προσομοίωσης αυτής της εργασίας.Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας αποτελεί η εισαγωγική παρουσίαση του σημαντικού ρόλου που διαδραματίζουν οι τεχνικές προσομοίωσης στον τομέα της Πυρηνικής Ιατρικής όπως επίσης και της ανάλυσης της διαδικασίας προσομοίωσης του εμπορικά διαθέσιμου PET συστήματος ECAT EXACT HR+ της Siemens , με χρήση του πακέτου προσομοίωσης GATE. Ο κώδικας της προσομοίωσης θα αξιοποιηθεί για την βελτιστοποίηση των πρωτοκόλλων λήψης δεδομένων και την μελέτη φαινομένων σκέδασης καθώς και των επιπτώσεών τους στην επίδοση του συστήματος. Επίσης τα ημιτονόγραμμα των δεδομένων εξόδου του GATE θα εισαχθεί στο πακέτο λογισμικού ανακατασκευής STIR (Software for Tomography Image Reconstruction) έτσι ώστε να αξιολογηθεί η ποιότητα και η αντίθεση της εικόνας που παράγει το μοντέλο προσομοίωσης της HR+. Επιπλέον, σε δεύτερη φάση, θα χρησιμοποιηθούν τα δεδομένα του ημιτονογράμματος για την αξιολόγηση και βελτιστοποίηση των επαναληπτικών αλγορίθμων ανακατασκευής που χρησιμοποιήθηκαν. Η γεωμετρία τους συστήματος περιγράφεται πλήρως με χρήση του GATE. Η ενεργειακή και χωρική διακριτική ικανότητα που ορίζει ο κατασκευαστής λαμβάνεται υπόψη. Μοντελοποιήθηκαν τέσσερις απλές πειραματικές διατάξεις: μια σημειακή ή μια γραμμική πηγή στο κέντρο του πεδίου οράσεως του συστήματος στο εσωτερικό ενός phantom από αέρα ή νερό.. Μελετήθηκαν οι ακόλουθες παράμετροι: ενεργειακά φάσματα, τρισδιάστατοι χάρτες θέσεων ανίχνευσης συμβάντων, κατανομές γωνιακής απόκλισης και κινητική ενέργεια ποζιτρονίων. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης αξιολογήθηκαν με βάση τα αναμενόμενα από το πραγματικό σύστημα αποτελέσματα . και παρατηρήθηκε ικανοποιητική συμφωνία μεταξύ τους.Η προσομοίωση εμπορικών συστημάτων απεικόνισης με το GATE αποτελεί ένα πολύ σημαντικό εργαλείο για την μελέτη φαινομένων σκέδασης και κινήσεων ασθενή. Τα αποτελέσματα αυτά υποδηλώνουν ότι ο κώδικας προσομοίωσης που υλοποιήθηκε μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ακριβή μοντελοποίηση πιο σύνθετων πειραματικών διατάξεων. Ο επόμενος στόχος είναι η χρήση διακριτοποιημένων phantom και δεδομένων από ασθενείς έτσι ώστε να ληφθεί υπόψη η διόρθωση σκέδασης και κινήσεων ασθενή στους αλγορίθμους ανακατασκευής, βελτιώνοντας έτσι την ποσοτικοποίηση των κλινικών εικόνων PET. ABSTRACT Detection of basic chemical abnormalities within a biological system during their first evolution stages is very crucial in selecting the most versatile, highly adaptive and specialized treatment of an illness. Imaging technologies take advantage of the most developed human sense, the vision, in order to search, detect and diagnose a biochemical abnormality. Positron Emission Tomography (PET) provides the means for the imaging of the evolving rates of biological processes in vivo. The calculation of those rates is achieved through the integration of two important recent technologies: the tracer assay kinetic method and the computed tomography (CT). The distribution of the tracer inside a tissue is being provided by a PET imaging system and the final result is a three-dimensional (3D) image of the anatomical distribution of the studied biological process.Therefore Emission Tomography and especially PET have a fast growing importance in modern medicine for both diagnostic and treatment purposes. In addition, nowadays the specifications concerning imaging quality, accuracy and speed are highly demanding. Both of these factors cause a vast increase of the research efforts in the field of Nuclear Medical Imaging. Monte Carlo (MC) simulations proved to be an essential and effective tool for current and future emission tomography development, especially now, because of the fact that more powerful computer clusters became available.As a result MC simulations can be used in Nuclear Medicine in order to design new medical imaging systems, optimize acquisition protocols and develop and assess image reconstruction algorithms and scatter correction techniques so as to improve image quantification. GATE (Geant4 Application for Tomographic Emission) is a generic Monte Carlo simulation platform based on a general purpose code GEANT4 and specially designed to accommodate the specific needs of PET/SPECT applications .It incorporates the Geant4 libraries in a modular, versatile, and scripted simulation toolkit which is adapted to the field of nuclear medicine applications. GATE includes specific modules necessary to perform realistic simulations including modules managing time and time-dependent processes (detector and source movements, radioactive decay and dynamic acquisitions), complex source distributions and easy description of scanner geometry. The ability to synchronize all time-dependent components allows a coherent description of the acquisition process and is one of the most innovative features of GATE. GATE is an Open source software and its development and validation is carried out by members of the OpenGATE collaboration.The purpose of this thesis is to make an introductory presentation of the importance of simulation techniques in the field of Nuclear Medicine as well as the analysis of the simulation process of commercial available PET scanner Siemens ECAT EXACT HR+, using GATE simulation package. The simulation code can be used in order to optimize data acquisition protocols and study scatter phenomena and their impact on the performance of the scanner. Furthermore the sinogram format of the output data of GATE simulation are going to be imported to STIR (Software for Tomographic Image Reconstruction) reconstruction package so as to evaluate the image quality and contrast of the images produced by the modelled HR+. The produced simulation results can be used for the assessment and optimisation of iterative reconstruction algorithms. The geometry of the system components has been described in GATE, including detector ring, crystal blocks, PMTs etc. The energy and spatial resolution of the scanners as given by the manufacturers have been taken into account. Simple sources have been modelled; a point source and a line source placed in the middle of the field of view of the scanner in the air and in water as well. Several parameters have been studied, including energy spectrum, 3D concentration maps of detected events, acolinearity angle distributions and positron kinetic energies. The simulation results have been evaluated with respect to the results expected from a real system, and a good agreement has been observed.The simulation of commercial scanners with GATE provides a very useful tool for the study of scatter and patient motion phenomena. The results indicate that the implemented simulation code can be easily used in order to accurately model more complicated experimental geometries. The use of phantoms and patient data will be a next step in order to include corrections of scatter and patient motion in reconstruction algorithms, thus improving quantification in clinical PET studies.
URI: http://artemis-new.cslab.ece.ntua.gr:8080/jspui/handle/123456789/14458
Εμφανίζεται στις συλλογές:Διπλωματικές Εργασίες - Theses

Αρχεία σε αυτό το τεκμήριο:
Αρχείο ΜέγεθοςΜορφότυπος 
DT2005-0247.pdf5.67 MBAdobe PDFΕμφάνιση/Άνοιγμα


Όλα τα τεκμήρια του δικτυακού τόπου προστατεύονται από πνευματικά δικαιώματα.