Συνεισφορά της οπτικής τoμογραφίας OCT (optical computed tomography) στην μονοφωτονική τομοσπινθηρογραφία

Abstract

The anatomical information in the standard multimodal molecular imaging is usually performed by utilizing ionizing radiation (X-ray, SPECT/CT, PET/CT), which in general burden the patient with extra dosimetric load. Modern research focuses on the implementation of optical methods in order to gain the morphological image, where scattered light from the area under investigation is properly reconstructed to provide the required anatomical information. The purpose of this Doctoral Thesis is to study an innovative optical imaging method,where, despite the strong diffusion of the medium, the time-resolved obtained information can be successfully used to produce the morphological reconstruction of the scattering medium at a tomographic level.Ultimate objective of this study is the development of a hybrid tomographical modality composed of a γ-Camera system (SPECT), a telecentric illumination system with pulsed infrared radiation and an optical analysis system with Time-of-Flight information (Time-Resolved Optical Tomography - TROT). A basic aid in understanding the physical processes at this stage, and beyond the experimental investigation of the applicability of conventional mathematical algorithms for the tomographic image reconstruction with infrared and optical radiation, was the development of an extensive simulation tool based on Monte-Carlo techniques. Besides the detailed tracking of the path of a photon(ray-tracing)through a strong diffusing medium, this approach incorporates two innovative key aspects: It introduces, in a stochastic way, the macroscopic simulation of the dominant Mie scattering in the form of a probability density function -thus avoiding large computational times- and,at the same time, it calculates the Time-of-Flight assigned to each simulated photon, following all the known physical interactions which are taking place. This developed software in the form of an integrated application package (PhoSim) is the core of the study in the current PhD Thesis.

Η ανατομική πληροφορία στις καθιερωμένες συνδυαστικές μοριακές απεικονίσεις γίνεται συνήθως με ιοντίζουσες ακτινοβολίες (ακτίνες-Χ, SPECT/CT, PET/CT), οι οποίες επιβαρύνουν κατά κανόνα τον ασθενή με επιπρόσθετη ακτινοβόληση. Η σύγχρονη έρευνα εστιάζεται στη χρήση οπτικών μεθόδων για την υλοποίηση της ζητούμενης μορφολογικής εικόνας, όπου σκεδαζόμενο φως από την υπό εξέταση περιοχή ανακατασκευάζεται κατάλληλα για να αποδώσει τη ζητούμενη ανατομική πληροφορία. Σκοπός της Διδακτορικής αυτής Διατριβής είναι η μελέτη μιας καινοτόμου μεθόδου οπτικής απεικόνισης, όπου, παρά την υψηλή σκεδαστικότητα του μέσου, η χρονικά αξιοποιημένη λαμβανόμενη πληροφορία να δύναται να χρησιμοποιηθεί επιτυχώς για την μορφολογική ανασύσταση του σκεδαζόμενου μέσου σε τομογραφικό επίπεδο. Απώτερος στόχος της μελέτης αυτής είναι η ανάπτυξη ενός υβριδικού τομογραφικού συστήματος αποτελούμενου από μία γ-Camera (SPECT) και ενός συστήματος τηλεκεντρικού φωτισμού με υπέρυθρη παλμική ακτινοβολία και σύστημα οπτικής ανάλυσης με χρονική πληροφορία (Time Resolved Optical Tomography - TROT). Βασικός αρωγός στην κατανόηση των φυσικών διεργασιών στο στάδιο αυτό, πέραν του πειραματικού ελέγχου της εφαρμοσιμότητας συμβατικών μαθηματικών αλγορίθμων για την ανακατασκευή της τομογραφικής εικόνας με υπέρυθρη και οπτική ακτινοβολία, αποτέλεσε η ανάπτυξη ενός εκτεταμένου εργαλείου προσομοίωσης με τεχνικές Monte-Carlo, το οποίο, πέραν από τη λεπτομερή παρακολούθηση της τροχιάς ενός φωτονίου (ray-tracing) σε ισχυρά σκεδαστικό μέσο, καινοτομεί σε δύο βασικά σημεία: Εισάγει με στοχαστικό τρόπο, υπό τη μορφή συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας (probability density function), την μακροσκοπική προσομοίωση της κυριαρχούσης στο μέσο σκέδασης Mie, αποφεύγοντας τοιουτοτρόπως μεγάλους υπολογιστικούς χρόνους. Παράλληλα, υπολογίζει το χρόνο πτήσης (Time-of-Flight) για κάθε προσομοιούμενο φωτόνιο, παρακολουθώντας όλες τις γνωστές φυσικές αλληλεπιδράσεις στις οποίες αυτό υπεισέρχεται. Το λογισμικό αυτό (PhoSim) με την μορφή ενός ολοκληρωμένου πακέτου εφαρμογής αποτελεί τον πυρήνα της μελέτης του εξεταζόμενου θέματος στην Διδακτορική αυτή Διατριβή.