Self-calibrating compact gamma camera for real-time medical imaging

Abstract

Gamma cameras are important molecular imaging tools widely used in nuclear medicine. They allow to image the distribution of gamma-ray emitting radionuclides in the human body. In this work, a complete imaging system based on a small field-of-view (SFOV) gamma camera is designed, assembled and characterized. The goal is to build a real-time imaging system with self-calibration capability.

The self-calibration is based on statistical reconstruction (SR) techniques, which search for the position that gives the best match between the observed and the expected signals of the photosensors. The latter are given by a model of the detector response (DR), which is not straightforward to obtain. It can be obtained either through an experimental calibration which records the photosensors signals for known positions of the source or through simulations. However, an iterative method for obtaining the DR was developed for Anger camera type detectors in 2012. In this method, only flood field irradiation data are required to reconstruct the DR, with no need for information on the gamma-ray emission positions. That response is modeled as a set of light response functions (LRFs), one per photosensor. The LRFs give the average signal amplitude as a function of both the position and the energy of the scintillation event.

SFOV cameras have a detection area smaller than 100 × 100 mm². This allows to use smaller components than in conventional cameras and to achieve spatial resolutions on the order of a millimeter or even sub-millimeter, which are important for small animal imaging and for imaging of small organs of humans (e.g. thyroid, prostate). The introduction of SFOV cameras opened the way to the introduction of hand-held devices, for instance to be used during radiotracer guided surgeries (e.g. sentinel lymph node removal).

A model of the gamma camera (GC) was designed to simulate its physical processes. The models and assumptions applied in simulations were validated by comparing the LFRs obtained from simulation data with those obtained from data acquired with an experimental prototype. The agreement between the experimental and simulation results was quite good, allowing to rely on the simulation results for the GC optimization phase.

The design of a SFOV gamma camera was optimized through simulations to achieve sub-millimeter intrinsic spatial resolution and the lowest possible level of distortions. First, optimization of the lightguide thickness was performed and 1 mm was found to be the optimal value. Second, the effect of using advanced optical coupling materials on the camera performance was studied. It was concluded that the expected slight performance increase does not justify the expenses associated with such change in technology.

Two version of the GC prototype were assembled, one with a LYSO scintillator and another with a GAGG scintillator. The reconstruction of the event positions was performed with SR methods, using LRFs estimated with the iterative method. The application of this method gives the system the desired self-calibration capability.

The equations given in literature for the design of collimators used in large field-of-view systems were successfully validated through simulations for smaller collimators used in SFOV systems. Based on the validated equations, both a parallel-hole collimator and a pinhole collimator were designed and manufactured.

For the experimental measurements, the camera prototypes were connected to the dedicated readout and data acquisition system selected and assembled in the frame of this work. Auxiliary software was developed to streamline the acquisition processes. Experimental characterization of the developed imaging system was performed using a 140 keV gamma source (99m-Tc). Intrinsic spatial resolutions of 0.72 mm and 0.90 mm were achieve, respectively, with the “LYSO prototype” and with the “GAGG prototype”. It was demonstrated that both prototype versions have the extrinsic spatial resolutions expected from simulations and analytical equations. The best spatial resolution of 1 mm FWHM in the object plane was achieved with the pinhole collimator, for a overall source-to-detector distance of 35 mm and magnification of about 2 times. With parallel-hole collimator, 1.5 mm FWHM was obtained with the source at 6 mm from the collimator face. The assessed absolute linearity of the “LYSO prototype” was 0.27 mm, while its differential linearity was 0.10 mm. For the the “GAGG prototype” the absolute linearity was 0.21, while the differential one was 0.19 mm.

Nuclear medicine imaging experts have confirmed the feasibility and expected added value of the developed system in the clinical practice, particularly for sentinel lymph node scintigraphy and biopsy, where high spatial resolution would allow to distinguish small but clinically relevant nodules, and for the functional characterization of thyroid nodules.

As câmaras gama são equipamentos usados em medicina nuclear para obter imagens da distribuição no interior do corpo de radionuclídeos emissores de raios gama. Neste trabalho desenvolveu-se um sistema de obtenção de imagem baseado numa câmara gama com uma área sensível relativamente pequena (SFOV). O objectivo é conseguir um sistema imagiológico de tempo-real e com capacidade de auto-calibração.

A auto-calibração é baseada em técnicas de reconstrução estatística (SR), que procuram a posição que resulta na melhor concordância entre os sinais medidos nos sensores de luz e os sinais esperados. Estes são dados pelo modelo de resposta do detector (DR), que não é simples de obter, seja através de uma calibração experimental que registe os sinais dos sensores para posições conhecidas da fonte ou através de simulações. Contudo, um método iterativo para obtenção da DR foi desenvolvido em 2012 para detectores do tipo Anger. Neste método, para estimar a DR são apenas necessários dados de irradiação de todo o campo visual do detector, sem necessidade de informação acerca da posição de emissão dos raios gama. A DR é registada com recurso a um conjunto de funções de resposta de luz (LRFs), uma por cada sensor. Os LRFs fornecem a amplitude média do sinal em função da posição e da energia do evento de cintilação.

A área de detecção de câmaras do tipo SFOV é menor que 100 ×100 mm². Isto permite usar componentes mais pequenos que os usados em câmaras convencionais e obter resoluções espaciais na ordem dos milímetros ou mesmo sub-milimétricas, importantes tanto em imagiologia de animais pequenos, como de órgãos pequenos em humanos (ex. tiróide, próstata). O advento das câmaras SFOV abriu caminho à introdução de dispositivos portáteis, por exemplo para uso em cirurgias guiadas por imagem cintigráfica (ex. remoção do gânglio linfático sentinela).

Desenhou-se um modelo da câmara gama (GC) para simular a sua operação. Os modelos e as assunções aplicadas na simulação foram validados comparando as LRFs obtidas quer com dados de simulação quer com dados experimentais adquiridos por um protótipo. A boa concordância entre as LRFs obtidas nos dois casos permitiu confiar nos resultados de simulação para a fase de optimização da GC.

O desenho da câmara gama SFOV foi optimizado através de simulações, tendo em vista a obtenção de uma resolução espacial sub-milimétrica e o menor grau de distorções possível. A primeira optimização foi feita variando a espessura do guia de luz, chegando-se ao valor óptimo de 1 mm. Depois, estudou-se o efeito da utilização de materias avançados de acoplamento óptico no desempenho da câmera. Concluiu-se que a ligeira melhoria de desempenho não justificava os custos associados a esta mudança de tecnologia.

Contruíram-se duas versões do protótipo da GC, usando diferentes cintiladores: LYSO e GAGG. A reconstrução das posições dos eventos foi feita através de métodos SR, usando LRFs estimadas com o método iterativo. A aplicação deste método conferiu ao sistema a capacidade de auto-calibração.

As equações estabelecidas na literatura para o desenho de colimadores aplicados a sistemas cintigráficos convencionais (e.x. GC com diâmetro de área sensível ≈50 cm) foram validadas com sucesso através de simulações para colimadores de menores dimensões, usados em sistemas SFOV. Foram desenhados e fabricados tanto um colimador de furos paralelos, como um colimador pinhole.

Para a realização das medidas experimentais, ligaram-se os protótipos da CG ao sistema de leitura e acquisição de dados seleccionado e montado no âmbito deste projecto. Desenvolveu-se o software auxiliar para agilizar o processo de acquisição. Para a caracterização experimental do sistema de imagem desenvolvido usou-se uma fonte de raios gamma com energia de 140 keV. Conseguiram-se resoluções espaciais intrínsecas de 0.72 mm e 0.90 mm, respectivamente, com o “protótipo LYSO” e com o “protótipo GAGG”. Demonstrou-se que o protótipo tem as resoluções espaciais extrínsecas previstas pelas simulações e pelas equações analíticas. A melhor resolução, 1 mm FWHM no plano do objecto, obteve-se com o colimador pinhole para uma distância fonte-detector de 35 mm e um factor de ampliação próximo de 2. Com o colimador de furos paralelos obteve-se uma resolução de 1.5 mm FWHM, com a fonte a 6 mm da face do colimador. A linearidade absoluta avaliada para o “protótipo LYSO” foi 0.27 mm, enquanto que a linearidade diferencial foi 0.10 mm. Para o “protótipo GAGG” avaliou-se uma linearidade absoluta de 0.21 mm e uma linearidade diferencial de 0.19 mm.

Especialistas em medicina nuclear confirmaram a viabilidade do sistema desenvolvido para a prática clínica e o valor acrescentado que poderá trazer. Em particular, para cintigrafia e biópsia do gânglio linfático sentinela, para a qual alta-resolução espacial permitiria distinguir gânglios de pequena dimensão mas ainda assim clinicamente relevantes, e para caracterização funcional dos nódulos de tiróide.