Αξιολογηση Και Βελτιστοποιηση Ιατρικων Απεικονιστικων Συστηματων Ποζιτρονιακης Τομογραφιας Με Χρηση Αλγοριθμων Προσομοιωσης Monte Carlo

Abstract

Η πυρηνική ιατρική απεικόνιση έχει τις τελευταίες δεκαετίες συμβάλλει καθοριστικά στην ανάπτυξη και εφαρμογή τεχνολογιών ιατρικής διάγνωσης και θεραπείας καρκινικών όγκων. Η τεχνολογία των απεικονιστικών συστημάτων πυρηνικής ιατρικής εξελίσσεται συνεχώς με τελικό κριτήριο τόσο την βελτίωση της ποιότητας και, επομένως, της διαγνωστικής αξίας της εξαγόμενης ιατρικής εικόνας όσο και την ελαχιστοποίηση του κόστους κατασκευής και λειτουργίας των συστημάτων και την βελτιστοποίηση των πρωτοκόλλων λήψης δεδομένων. Εξειδικευμένα εργαλεία προσομοίωσης, που βασίζονται στην τεχνολογία Monte Carlo (MC) είναι δυνατόν σήμερα να εφαρμοστούν αποτελεσματικά για την αξιολόγηση της επίδοσης και την βελτιστοποίηση των συστημάτων PET. Το GATE (Geant4 Application for Tomography Emission) αποτελεί ένα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα MC αλγόριθμου που συγκεντρώνει τα παραπάνω χαρακτηριστικά. Ωστόσο, το βασικό μειονέκτημα των αλγόριθμων MC είναι οι υψηλές απαιτήσεις τους σε υπολογιστικό χρόνο. Στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκε μια μέθοδος βελτιστοποίησης της υπολογιστικής απόδοσης μιας κατηγορίας μοντέλων του GATE, επιτρέποντας έτσι την ελάττωση του συνολικού χρόνου εκτέλεσης 1.5 φορές κατά μέσο όρο. Επίσης, κατασκευάστηκε και μια συστοιχία υπολογιστών (computer cluster) που αποτελείται από 17 κόμβους επεξεργασίας με στόχο την επιπλέον επιτάχυνση των προσομοιώσεων. Επιπλέον, στην παρούσα διατριβή αναπτύσσεται μια μεθοδολογία για την αξιολόγηση απεικονιστικών συστημάτων πυρηνικής ιατρικής με βάση τις παραμέτρους επίδοσης του ποσοστού σκέδασης, της ευαισθησίας, του ρυθμού μέτρησης συμβάντων σύμπτωσης και της χωρικής διακριτικής ικανότητας. Για τον σκοπό αυτό σχεδιάζονται και υλοποιούνται τα μοντέλα τριών κλινικών απεικονιστικών συστημάτων τεχνολογίας PET, της ECAT EXACT HR+, της Biograph 2 και της Biograph 6. Η ακρίβεια των δύο μοντέλων επικυρώνεται με την σύγκριση των πειραματικών και προσομοιωμένων μετρήσεων των παραπάνω παραμέτρων επίδοσης, σύμφωνα με τις προδιαγραφές του πρότυπου NU 2-2001. Στην συνέχεια αξιοποιούνται τα συγκεκριμένα επικυρωμένα μοντέλα μαζί με τα αντίστοιχα αποτελέσματα της παραπάνω αξιολόγησής τους με στόχο την βελτιστοποίηση της χορηγούμενης δόση ραδιοϊσότοπου και του χρόνου σάρωσης για διαφορετικές πιθανές τιμές ενεργειακού παράθυρου, νεκρού χρόνος απόκρισης των ηλεκτρονικών συστημάτων συλλογής σήματος, χρονικού παράθυρου σύμπτωσης και μεγέθους του σώματος του ασθενούς. Το κριτήριο για την επίλογη, είτε της βέλτιστης δόσης, όταν ο χρόνος σάρωσης είναι δεδομένος, είτε του χρόνου σάρωσης, όταν η χορηγούμενη δόση είναι δεδομένη, αποτέλεσε η μεγιστοποίηση του ενεργού ρυθμού μέτρησης πραγματικών συμπτώσεων (NECR), ο οποίος είναι μαθηματικά ισοδύναμος με το τετράγωνο του σηματοθορυβικού λόγου SNR των δεδομένων προβολής και ποιοτικά εκφράζει τον ρυθμό με τον οποίο συλλέγονται οι στατιστικά σημαντικές μετρήσεις.Nuclear medical imaging science has contributed significantly during the last decades to the development and deployment of advanced technologies that enhance our medical diagnostic and therapeutic schemes for various types of cancer. The technology is constantly evolving towards the enhancement of the statistical quality and diagnostic value of medical images, the minimization of the building and operational cost of the imaging systems and the optimization of the data acquisition protocols. Nowadays, advanced and highly specified Monte Carlo (MC) simulation tools have been developed, capable of evaluating and optimizing the performance of nuclear medical imaging systems. GATE, Geant4 Application for Tomography Emission, is a characteristic example of a MC simulator possessing the above capabilities. However, the high requirements in computational time remain as the principal drawback of MC tools, particularly when the description model of the simulated geometry is very complex and detailed. For this reason, the application of most of the MC algorithms in clinical imaging studies is considered impractical, as they involve sources of relatively high radioactivity within complex biological tissues. In the present thesis, a performance optimization study has been developed for a particular class of Geant4 and GATE models (low-energy electromagnetic processes models), allowing the speed-up of the execution by an average factor of 1.5. Additionally, a Linux PC cluster has been built, which is comprised of 17 processing threads, to further enhance the speed-up by a factor of 17. Furthermore, an evaluation methodology is presented for the nuclear medical imaging systems, based on the performance parameters of scatter fraction, sensitivity, count rate and spatial resolution. For this purpose, the GATE models of three commercial clinical positron emission tomography (PET) systems have been designed and implemented in GATE: the ECAT EXACT HR+, the Biograph 2 and the Biograph 6 system. The validation of the models was performed by comparing the experimental and respective simulated measurements for each system, according to the specifications of the NEMA NU2-2001 protocol. Afterwards, the validated models were used together with anthropomorphic voxelized phantom and source geometries, such as the MOBY and NCAT tools, to perform a realistic simulation study aiming at the optimization of the clinical data acquisition protocol in nuclear medicine. In particular, the study involved the optimization of the administered radiation dose and the scan time for different combinations of energy windows, dead time responses, coincidence time windows and sizes of the human patient. The criterion employed, in this thesis, for the determination of either the optimal dose for a given scan time, or the optimal scan time for a given dose, has always been the maximization of the Noise Equivalent Count Rate (NECR) of the system, which is mathematically equivalent to the square of the signal-to-noise ratio (SNR) of the projection data and a reliable indicator of the rate in which statistically significant coincidence events are recorded.