Construction of a compton-camera prototype based on silicon scatterer with analytical image reconstruction for medical imaging

Abstract

Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) is one of the most common imaging modalities in nuclear medicine. Recent advances in this field are focused on the optimization of the spatial resolution and the overall efficiency of the imaging system in order to improve the clinical image value and lower the delivered human dose, which are limited by mechanical collimation. This drawback could be overcome by adopting electronic collimation in the form of a Compton camera configuration. The present PhD study focuses on the construction of a simple prototype imaging device, known as the Compton Camera, free of any mechanical collimation and complying with the Compton kinematic laws. The setup of this prototype consists of a silicon scatterer, a CsI (Tl) crystal as an absorber, and integrated electronics for in-parallel fast signal processing and accurate position determination. Different configurations regarding the time coincidences between these two sub-systems are presented and discussed. Moreover, the image reconstruction problem with Compton data is directly examined with novel approaches covering a wide range of algorithmic classes. Stochastic, analytical, and machine learning schemes are developed for the enhancement of 2D and 3D tomographic images, while geometrical approaches based on conic sections fail to determine the exact origin of radioactive distributions. Performance cross-checks of the proposed algorithms are conducted through both simulation with the GEANT4/GATE toolkit and real experimental data acquired from the designed device by applying novel analysis techniques (pulse shape analysis) to recorded digital signals.

Η Μονοφωτονική Τομοσπινθηρογραφία (Single-Photon Emission Computed Tomography SPECT) αποτελεί μία από τις συνηθέστερες απεικονιστικές εφαρμογές στην Πυρηνική Ιατρική με σκοπό την διάγνωση αλλά και την παρακολούθηση και βελτιστοποίηση των τεχνικών Ακτινοθεραπείας. Οι πρόσφατες εξελίξεις σε αυτό το πεδίο εστιάζουν στη βελτιστοποίηση της χωρικής διακριτικής ικανότητας και της συνολικής αποδοτικότητας του συστήματος με σκοπό την μείωση της χορηγούμενης δόσης στους ασθενείς αλλά και εικόνες υψηλότερης κλινικής αξίας. Το γεγονός ότι μια γ-κάμερα γενικής χρήσης για κλινικές in vivo σαρώσεις χρησιμοποιεί (μηχανικό) κατευθυντήρα για να εντοπίσει την πηγή φωτονίων άρα και την θέση και ενεργότητα ενός δυνητικά καρκινικού όγκου-στόχου οδηγεί σε περιορισμένη ευαισθησία και χωρική διακριτική ικανότητα. Αυτό το μειονέκτημα θα μπορούσε να ξεπεραστεί, όπως προτάθηκε το 1974, με τη χρήση ηλεκτρονικού κατευθυντήρα σε ένα σύστημα Compton-κάμερας. Από τότε και μέχρι σήμερα η τεχνική απεικόνισης με Compton-κάμερα έχει γνωρίσει μεγάλη πρόοδο χάρη σε βελτιωμένα ανιχνευτικά υλικά, ταχύτατα ολοκληρωμένα ηλεκτρονικά κυκλώματα, αλλά και στις νέες αλγοριθμικές προσεγγίσεις που προτείνονται συνεχώς. Ωστόσο, παρά τις τεχνολογικές εξελίξεις σε επίπεδο οργανολογίας που αφορούν την απεικονιστική αυτή τεχνική, η διαδικασία της ανακατασκευής εικόνων με δεδομένα Compton στηρίζεται κυρίως σε γεωμετρικές τεχνικές ή τεχνικές οπισθοπροβολής (Backprojection-BP) καθώς αποτελούν τη πιο γενικευμένη λύση που εφαρμόζεται ανεξάρτητα από τη σύνθεση και τα χαρακτηριστικά της συσκευής. Ωστόσο, τέτοιου είδους τεχνικές όπως αυτές των Κωνικών Τομών αποτυγχάνουν στην ανασύνθεση πηγών στο τρισδιάτατο χώρο και εν τέλει τον ακριβή προσδιορισμό και σκιαγράφηση της πηγής-στόχου και κρίνονται ως ελλειπείς και αναποτελεσματικές. Επιχειρώντας να καλυφθεί αυτό το ερευνητικό κενό και η αδυναμία των ήδη διαδεδομένων αλγορίθμων στην ανακατασκευή τομογραφικών εικόνων από συστήματα Compton κάμερα με ακρίβεια, προτείνονται διάφορες τεχνκές που καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα αλγοριθμικών οικογενειών. Στοχαστικές και αναλυτικές τεχνικές, όπως και σχήματα Μηχανικής Μάθησης, αναπτύσσονται με ευρύτερο στόχο την βελτίωση διδιάστατων και τρισδιάστατων τομογραφικών εικόνων, εφόσον γεωμετρικές μεθόδοι που βασίζονται σε κωνικές τομές αδυνατούν να προσδιορίσουν την ακριβή θέση της ραδιενεργού κατανομής. Οι προτεινόμενες μέθοδοι ελέγχονται ως προς την αποτελεσματικότητά τους συνδυαστικά με τη χρήση προσομοιωμένων δεδομένων αλλά και πραγματικών γεγονότων. Οι πειραματικές μετρήσεις πραγματοποιούνται σε πρωτότυπη Compton κάμερα όπως αυτή σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε στο εργαστήριο και η λήψη και επεξεργασία τους πραγματοποιήθηκε με ειδικούς ψηφιοποιητές και ρουτίνες καθώς και τη χρήση καινοτόμων τεχνικών ανάλυσης σήματος. Πιο αναλυτικά, η παρούσα διδακτορική διατριβή κινείται σε δυο βασικούς άξονες τόσο με αλγοριθμικό όσο και με κατασκευαστικό ενδιαφέρον. ΄Οσον αφορά το αλγοριθμικό μέρος, μελετάται η ανάπτυξη καινοτόμων τεχνικών ανακατασκευής εικόνας από δεδομένα Compton κάμερας βασισμένες πρωτίστως σε αναλυτικές εκφράσειςκαθώς και η προσέγγιση του αντίστροφου αυτού προβλήματος μέσω των ήδη διαδεδομένων μετασχηματισμών Radon από τη Τομογραφία. Η ανάγκη για εικόνεςυψηλής ανάλυσης σε μικρό χρόνο αποτελούν ζητούμενο στη κλινική πράξη γι’ αυτό και επιχειρείται επιπλέον η ανακατασκευή εικόνων με διαφορετικές τεχνικές που δύναται να προσφέρουν διαφορετικά πλεονεκτήματα καλύπτοντας ένα ευρύ φάσμα: τις επαναληπτικές μεθόδους, τις αναλυτικές αλλά και εφαρμογές Μηχανικής Μάθησης (Machine Learning) που απασχολούν και εφαρμόζονται ευρέως στον κλάδο της Ιατρικής Απεικόνισης στη Πυρηνική Ιατρική και όχι μόνο. Παρουσιάζεται το βασικό εργαλείο προσομοιώσεων GEANT4/GATE μαζί με τις βιβλιοθήκες που συνοδεύουν τους αλγορίθμους από την ανάπτυξη μέχρι την εφαρμογή τους σε πραγματικά δεδομένα, δίνοντας μια πρώτη εκτίμηση για την αποδοτικότητά τους. Αναλυτικά παρουσιάζεται η ανάπτυξη στοχαστικού αλγορίθμου List-Mode Maximum Likelihood Expectation Maximization (LM-MLEM) με αντικατάσταση του γνωστού πίνακα συστήματος (system matrix) με μια απλούστερη εκδοχή του βασισμένη μόνο σε μετρούμενα μεγέθη από τη συσκευή ὃμπτον, όπως είναι η απορροφούμενη ενέργεια και επακόλουθα η γωνία σκέδασης του αρχικού φωτονίου. Η προτεινόμενη τεχνική επιχειρείται να εφαρμοστεί όχι μόνο σε απλά γεωμετρικά phantom αλλά ακόμη και σε κλινικές περιπτώσεις, όπως παρουσιάζεται, με την εφαρμογή του σε περιστατικά Parkinson μέσω προσομοιώσεων. Στη συνέχεια, γίνεται λόγος για ανακατασκευή εικόνας από δεδομένα ὃμπτον μέσω Τεχνητών Νευρωνικών Δικτύων (Artificial Neural Networks-ANNs) τα οποία προσαρμόζονται και ομαδοποιούνται κατάλληλα για την εισαγωγή τους σε Feed-Forward Νευρωνικά Δίκτυα και την πρόβλεψη των ανακατασκευασμένων εικόνων σε δισδιάστατο χώρο με ελαχιστοποίηση του χ2 κριτηρίου. Ο σχεδιασμός και η διαδικασία εκμάθησης του προτεινόμενου δικτύου γίνεται σε περιβάλλον Python και με τη χρήση βιβλιοθηκών Keras και Tensorflow. Τέλος, γίνεται μια πρώτη προσπάθεια για την αντιμετώπιση του αντίστροφου αυτού προβλήματος μέσω του μετασχηματισμού Radon και της ανακατασκευής των δεδομένων μέσω του σχεδιασμού ενός νέου ημιτονογράμματος και της αντίστοιχης αντιστροφής του. Σε όλες τις προτεινόμενες τεχνικές γίνεται υπολογισμός της χωρικής διακριτικής ικανότητάς τους μαζί με συγκριτική μελέτη των αποτελεσμάτων με ήδη κατοχυρωμένες τεχνικές όπως είναι οι γεωμετρικές Η απόδοση και αποτελεσματικότητα των ανεπτυγμένων αλγορίθμων ελέγχθηκε με προσομοιωμένα δεδομένα μέσω της πλατφόρμας GEANT4/GATE (GEANT4 Applications for Tomographic Emission) αλλά και με τη χρήση πραγματικών δεδομένων. Απώτερο στόχο λοιπόν αποτέλεσε η κατασκευή πρωτότυπης Compton κάμερα εξοπλισμένης με ανιχνευτή πυριτίου (Si) ως Σκεδαστή και με σύστημα γ-κάμερας με ανόργανο σπινθηριστή που δρα ως Απορροφητής, η οποία και συγκρίνεται με τα παραγόμενα δεδομένα από τις προσομοιώσεις. Το σύστημα λήψης δεδομένων συμπληρώθηκε ηλεκτρονικά με τις κατάλληλες μονάδες ενίσχυσης και μορφοποίησης σήματος με ολοκληρωμένα ηλεκτρονικά τύπου ΝΙΜ, ψηφιοποιητή σήματος με τη χρήση PCI κάρτας καθώς η επεξεργασία και καταγραφή σήματος πραγματοποιήθηκε μέσω εικονικής πλατφόρμας του λογισμικού LabVIEW. Επιπρόσθετα, ο συγχρονισμός της συσκευής και συνεπώς η τεχνική καταγραφής συμπτώσεων (coincidences) αναλύεται διεξοδικά αφού υπολογίζεται αναλυτικά η χρονική καθυστέρηση όλων των επιμέρους στοιχείων του συστήματος που συντελούν στην τελική επιλογή/φιλτράρισμα των καταγεγραμμένων σημάτων. Για το λόγο αυτό παρατίθεται μελέτη χρονισμού της συσκευής με πηγή 22-Na καθώς και ενεργειακή βαθμονόμηση του συστήματος. Τελικά, πραγματοποιείται συλλογή δεδομένων από ραδιενεργές πηγές γνωστές από καθιερωμένες τεχνικές απεικόνισης για κλινικές ή προκλινικές μελέτες, όπως αυτής του 137-Cs. Συγκεκριμένα, πραγματοποιείται μελέτη για την ανίχνευση της μετακίνησης των εν λόγω πηγών σε διαφορετικές θέσεις στο χώρο αλλά αρχικά σε ίδιο εστιακό βάθος. Η ενεργειακή απόκριση των επιμέρους υποσυστημάτων ελέγχεται και επιβεβαιώνεται και μέσω προσομοιώσεων για την σωστή ανακατασκευή των κώνων εκπομπής και ολοκληρώνεται με τη δισδιάστατη ανακατασκευή και παρουσίαση των αποτελεσμάτων. Συγκεκριμένα, πραγματοποιούνται ανακατασκευές με τη γεωμετρική προσέγγιση των κωνικών τομών, τη μέθοδο λογαριθμικής πιθανοφάνειας και την προτεινόμενη στοχαστική LM-MLEM. Τέλος, παρουσιάζονται στοιχεία για την τρισδιάστατη ανακατασκευή των υπό εξέταση πηγών αλλά και υπολογισμός της διακριτικής ικανότητας του συστήματος. Συνεπώς, η σύμπραξη αλγοριθμικού και κατασκευαστικού μέρους οδηγεί σε χαρακτηρισμό της συσκευής και έλεγχο της αποτελεσματικότητας των προτεινόμενων αλγορίθμων για την μακροπρόθεσμη εφαρμογή και εγκατάσταση τους σε προκλινικές και κλινικές μελέτες. Επιπλέον, προτείνονται νέες βελτιώσεις και πιθανές εναλλακτικές λύσεις σε επίπεδο τόσο λογισμικού όσο και hardware. Για παράδειγμα, συστήνεται η εφαρμογή των προτεινόμενων αλγορίθμων σε αποδοτικότερα και πιο σύγχρονα συστήματα με τη χρήση χωρικά ευαίσθητων ανιχνευτών πυριτίου (Double-Sided Strip Detectors-DSSD) καθώς και η υπολογισ- τική υποστήριξή τους σε GPU επεξεργαστές για μείωση του χρόνου ανακατασκευής.