Detection module for determination of the arterial input function in PET

Abstract

A análise quantitativa em PET (do inglês Positron Emission Tomography) permite a medição precisa de parâmetros biológicos e fisiológicos de interesse, aumentando assim a qualidade da avaliação das imagens tomográficas. Esta abordagem envolve a aplicação de modelos matemáticos que descrevem a cinética do radiofármaco injetado. Um parâmetro essencial neste processo é a função de entrada arterial (AIF, do inglês Arterial Input Function), que representa a concentração de radiofármaco no plasma sanguíneo ao longo do tempo. No entanto, o procedimento padrão para a determinação da AIF é através da canulação da artéria radial, uma prática invasiva que desencoraja o seu uso. Apesar de segura, esta técnica pode ser bastante desconfortável para o paciente e constitui um procedimento laborioso com elevado risco de exposição à radiação para a equipa médica que o executa.Nas últimas décadas têm sido propostas diferentes alternativas para colmatar este problema. Com esse mesmo intuito, a nossa equipa apresenta um sistema não invasivo para determinação da função de entrada arterial. Este sistema irá combinar sinais adquiridos por vários detetores de cintilação, posicionados sobre diferentes artérias, para isolar o sinal proveniente do sangue arterial e estimar a função de entrada arterial. Neste projeto foi desenvolvida e testada uma versão inicial do protótipo para os detetores de radiação que serão integrados no sistema de medição. O protótipo é composto por um cristal de germanato de bismuto (BGO, do inglês Bismuth Germanate Oxide), um fotodíodo e um sistema de amplificação de sinal personalizado. É um dispositivo compacto, prático e acessível.O protótipo foi testado na presença de uma fonte radioativa de Na-22 com uma atividade de 0.42 μCi. Com base nos resultados obtidos é possível verificar que o protótipo é capaz de detetar raios gama de 511 keV. No entanto, apresenta um elevado nível de ruído e uma baixa eficiência de deteção (6.137 x 10^-4 % para o detetor 1, 4.730 x 10^-4 % para o detetor 2, e 3.068 x 10^-4 % para o detetor 3). A comparação dos valores de eficiência dos três detetores sugere ainda que o acabamento dos cristais influencia a sua eficiência na geração de luz visível. Estes resultados preliminares indicam que o protótipo desenvolvido tem potencial para ser incorporado no sistema de medição apresentado. No entanto, ainda necessita de ser aperfeiçoado por forma a melhorar as suas características de deteção.

Quantitative analysis in PET presents a method for precisely measuring biological and physiological parameters, thereby enhancing the accuracy of image assessment. This approach involves applying mathematical models to describe the kinetics of the injected radiopharmaceutical. An essential parameter in this process is the arterial input function (AIF), which represents the tracer concentration in arterial blood over time. However, the current gold standard method for determining the AIF is through cannulation of the radial artery, an invasive practice that discourages its adoption. Despite its safety, this technique can cause patient discomfort and poses a labor-intensive procedure, elevating the potential risk of radiation exposure for medical staff.In the past decades, different alternative methods have been proposed to answer the problem of invasive AIF measurement. With that same purpose, our investigation team presents a non-invasive system for AIF determination. This system will combine the signals acquired from multiple scintillation detectors placed over different arteries to isolate the signal from the arterial blood and accurately estimate the arterial input function. In this project, we have developed and tested the first version of the prototype of a scintillation detector that will be integrated into the described measurement system. This prototype includes a BGO (Bismuth Germanate Oxide) scintillation crystal, a photodiode, and a custom signal amplification circuit. It is a compact, practical, and affordable device.The prototype was tested with a Na-22 source with an activity of 0.42 μCi. Based on the results, this probe can detect 511 keV gamma rays. However, it does so with a high noise level and very low efficiency of 6.137 x 10^-4 % for detector 1, 4.730 x 10^-4 % for detector 2, and 3.068 x 10^-4 % for detector 3. This also suggests that the scintillation crystal's finish influences its light output. These preliminary results indicate that the prototype has the potential to be incorporated into the non-invasive AIF measuring system. However, it requires some refinements to improve its overall detection characteristics.