Study of the Effect of Magnetic Field on PET/MR Systems: GATE Monte Carlo Simulations

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Radiações em Diagnóstico e Terapia) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019The latest developments in PET technology have allowed for its integration with MR scanners as a superior alternative to PET/CT imaging, especially useful in instances such as detection of low-grade tumours and prostate cancer resurgence. However, the magnetic field inherent to the MR introduces some challenges and uncertainty regarding the scanners’ performance. Furthermore, novel radiopharmaceuticals that feature a wide range of radioisotopes with different properties have been introduced in the market and are being used more and more in clinical contexts. Thus, it is relevant to study how PET/MR systems perform when using such radioisotopes, and the impact the magnetic field has on the performance, as a way to better understand these scanners and optimize clinical practices. Recently, total-body PET scanners that entirely cover the patients, or large portions of the body, have also been introduced. In this dissertation, NEMA sensitivity and count rate statistics tests are performed on a realistic model of the GE Signa PET/MR scanner through GATE Monte Carlo simulations, using the prescribed 18F, as well as using other radioisotopes such as 11C, 13N, 15O, 68Ga and 82Rb, which feature positron energies from 633 keV do 3.3 MeV. The same studies are performed on a conceptual 1.04 m long PET scanner to study the potential performance of such a scanner. Also, a study of the positron range of the same radioisotopes in tissues of varying density was done in order to estimate the impact of the magnetic field. On the GE Signa PET/MR, the sensitivity test results are in line with published values and show a clear dependence on the positron branching ratio, with the pure β+ emitters having the highest sensitivity values, 21.50 cps/kBq for 13N in the presence of a 3 T MR field. The magnetic field increases sensitivity up to 5% for the higher energy radioisotopes, due to constraints on positron range preventing positron from escaping the phantom tube. The move to TB-PET shows a tremendous increase of up to 7 times the sensitivity, peaking at 177.87 cps/kBq for 13N. Regarding the NECR test, the simulation results on the GE Signa PET/MR are confirmed by the published values regarding 18F, with the other pure β+ emitters showing comparable peak NECR values. However, 68Ga and 82Rb have much lower peak NECR values, due to the 3.0% and 14.2% additional prompt-gamma emission, which contaminate the acquisition and contribute to detector busyness, effectively lowering NECR. Studies on positron range show strong dependence on the tissue density. The 3 T magnetic field introduces significant constraints on positron range in the transversal plane which can mean up to 4 times smaller range in the x and y directions when compared with the z direction, the direction of the MR field, which shows differences only in terms of density distribution but not absolute values. The results obtained in this dissertation point out the need to re-evaluate the different image reconstruction algorithms for PET/MR imaging, given the discrepancies between the transversal and axial ranges under a magnetic field, as well as the adaptation of the NEMA performance measurements protocols for scanners with long axial fields of view, and, to some extent, to be performed with different radioisotopes. However, there are some limitations to the conclusions drawn from the work presented, such as the fact that the method used to estimate NECR and the related measures can underestimate them due to uncertainty regarding dead time set-up. The work developed in this thesis and the achieved outcomes have real world applications in more than one area. Learning how scanners perform under difference circumstances, i.e. using different radioisotopes, can help clinics better prepare their schedules according to predicted scanning times, optimize activity quantities injected into patients, and overall improve the patient throughput. Furthermore, possible applications in reconstruction algorithms that may improve the quality of the produced imaged and help to diagnose and/or better identify multiple diseases, leading to general improvements in public health through screening programs and early diagnosis.Tomografia por emissão de positrões (PET, na sigla em inglês) é uma técnica de imagem de medicina nuclear que tem por base a emissão de positrões e a sua consequente aniquilação com as suas anti-partículas, electrões. Ao acoplar radioisótopos emissores de positrões a moléculas orgânicas, é possível seguir e quantificar diversos processos metabólicos que ocorrem no corpo, fazendo da PET uma técnica de imagem funcional. Sendo uma técnica de imagem funcional, com informação anatómica quase inexistente, a PET é frequentemente aliada a outras técnicas que ofereçam essa informação. Desde o aparecimento de scanners integrados PET/CT no início do século, estes sistemas tornaram-se extremamente populares. No entanto, sistemas integrados PET/MR surgiram no mercado nos últimos anos e têm vindo a ganhar popularidade devido às suas vantagens sobre PET/CT, tais como um contraste entre tecidos moles bastante superior e a eliminação da dose de radiação inerente à CT. A presença do campo magnético proveniente da MR introduz alguns desafios na porção PET dos sistemas integrados, nomeadamente no impacto do campo no comportamento dos radioisótopos, alterando a trajetória dos positrões emitidos para uma trajetória em hélice como resultado da força de Lorentz. Além disso, os testes NEMA de caracterização do desempenho de scanners PET/MR são apenas realizados com 18F. Dados os avanços em radiofarmacêutica, torna-se relevante e importante o estudo do desempenho destes scanners quando utilizados diferentes radioisótopos, nomeadamente a realização de testes NEMA. Com o objetivo de estudar e quantificar tanto o efeito do campo magnético no alcance dos positrões e na performance de scanners integrados PET/MR, como as diferenças na utilização de diferentes radioisótopos, foi construído um modelo realista do scanner GE Signa no qual podem ser realizadas simulações Monte Carlo dos testes NEMA de sensibilidade e NECR usando o toolkit GATE. Foram ainda desenvolvidos os scripts analíticos em Python, ROOT e MATLAB para análise dos resultados dos diferentes testes. A validação das simulações foi feita através da comparação com valores publicados, medidos experimentalmente num scanner GE Signa. Os mesmos testes foram aplicados a um sistema PET de corpo inteiro, com extensão axial de 104 cm, de modo a estudar o potencial desempenho de um sistema com estas características. Além disso, foi ainda estudado o efeito do campo magnético no alcance dos positrões em diferentes tecidos. O teste de sensibilidade mede a capacidade de um scanner em registar coincidências, sendo medida em contagens por segundo para um determinado nível de atividade (cps/kBq). A simulação deste teste requer a construção do seu respetivo fantoma, que envolve 5 camadas cilíndricas de alumínio com espessura constante, bem como a análise de dados prescrita pela NEMA. Para as simulações realizadas no GE Signa PET/MR sem campo magnético, no caso dos emissores β+ puros 11C, 13N e 15O, os resultados obtidos foram de 20.53, 20.65 e 20.31 cps/kBq, respetivamente, sendo comparáveis com o de 18F, 20.75 cps/kBq. 68Ga oferece também resultados semelhantes aos teóricos, 18.10 cps/kBq. Todos estes resultados estão de acordo com o esperado, dado que a fração de emissão de positrões é o fator mais significativo da sensibilidade. Quanto ao 82Rb, os valores obtidos são significativamente mais baixos que os previstos. Esta diferença pode ser explicada pela alta energia e longo alcance dos positrões provenientes deste decaimento, que têm alta probabilidade de não perderem a sua energia na primeira camada de alumínio, influenciando negativamente a análise de resultados, subestimando o valor real de sensibilidade. Aquando da aplicação do campo magnético de 3 T, as diferenças registadas em relação aos valores medidos e publicados são mínimas, e os valores simulados são até 5% maiores do que sem a presença do campo magnético, sendo que esta diferença aumenta à medida que aumenta a energia dos positrões. As mesmas conclusões são retiradas das simulações realizadas com o TB-PET. No entanto, os valores neste são significativamente mais elevados, sendo entre 5 a 7 vezes maiores do que os resultados obtidos no GE Signa, chegando a um máximo de 174.27 cps/kBq, já que, no TB-PET, a fonte é completamente coberta pelo scanner enquanto que apenas certa de 1/3 da fonte é coberta pelo GE Signa, deixando grande parte da atividade fora do scanner. O teste de NECR e estatísticas de contagem tem o objetivo de medir fontes altamente energéticas e reconhecer radiação dispersa, tal como radiação gama adicional. NECR é uma medida que está localmente relacionada com SNR, com a dose de atividade que é necessário administrar aos pacientes para obter imagens, e ainda com a duração dos exames. Usando o fantoma de dispersão (scatter phantom), e analisando os dados através de sinogramas, é possível obter três taxas de contagem: coincidências verdadeiras, dispersas e aleatórias, através das quais se calcula o valor do pico de NECR e o nível de atividade a que este ocorre. No GE Signa PET/MR, em a presença do campo magnético, os isótopos 11C, 13N e 15O demonstram resultados de pico de NECR de 206.77, 201.72 e 196.08 kcps, próximos do valor obtido para 18F, 209.32 kcps, como seria de esperar tendo em conta as semelhanças das propriedades de decaimento. No 68Ga e 82Rb, estes valores são significativamente mais baixos, 185.70 e 136.93 kcps, respetivamente, sendo notável a clara influência dos fotões gama imediatos nos dois isótopos, com maior expressão no 82Rb. O registo destes fotões contribui significativamente não só para o aumento do número de coincidências aleatórias registadas, como também para os efeitos do tempo morto do detetor, que leva a uma deterioração da capacidade do detetor de registar os fotões provenientes da aniquilação dos positrões e, consequentemente, registo de coincidências verdadeiras. Os resultados do mesmo teste aplicando um campo de magnético de 3 T, o pico de NECR para todos os isótopos teve um aumento até 8%, mais significativo para os isótopos que emitem positrões com mais alta energia, sendo que no caso do 82Rb, este pico chegou aos 173.50 kcps. Relativamente ao TB-PET, os aumentos de pico de NECR registaram-se na ordem das 7 a 8 vezes maiores que os valores obtidos no GE Signa. Neste scanner com 104 cm de comprimento, o pico de NECR chega aos 1624.54 kcps aquando da aplicação do campo magnético, efetuando o teste com 18F. Ainda seguindo a tendência registada anteriormente, 68Ga e 82Rb apresentam resultados muito inferiores aos emissores β+ puros. Neste scanner, é notável ainda uma maior discrepância entre os diferentes isótopos. O facto de as diferenças entre a aplicação ou não do campo magnético serem da mesma magnitude nos dois scanners pode sugerir que os efeitos são específicos aos protocolos NEMA e ao teste aplicado, e não se traduzem necessariamente para o contexto clínico e aquisições com pacientes. No entanto, estabelece-se uma relação com os constrangimentos impostos ao alcance dos positrões em ambos os testes. Por um lado, os constrangimentos ao alcance dos positrões no plano transversal à direção do campo magnético são notáveis pelo aumento do número de coincidências registadas nos primeiros cilindros de atenuação de alumínio, efetivamente aumentando o valor final calculado para a sensibilidade, particularmente para isótopos de alta energia. Por outro, os mesmos constrangimentos causam um aumento do número de coincidências detetadas próximas da fonte de radioatividade, o que, no processo de análise de dados, contribui significativamente para o aumento do número de coincidências verdadeiras e, consequentemente, NECR. O estudo do alcance dos positrões dos diferentes isótopos revela uma redução significativa do alcance tridimensional aquando da aplicação do campo magnético. Esta redução é sentida apenas no plano transversal (direções x e y), sendo que o alcance axial (direção z) se mantém em termos de valores absolutos. A distribuição de densidade dos pontos de aniquilação, ou do alcance axial, no entanto, apresenta-se alongada, devido aos constrangimentos no plano transversal. Além disso, é ainda notável uma forte dependência destes efeitos tanto na energia dos positrões como na densidade do tecido, sendo que o alcance transversal pode ser até 4 vezes menor que o axial para altas energias, em tecidos pouco densos. Assim, conclui-se que o uso de diferentes isótopos tem um impacto significativo na performance de sistemas integrados PET/MR, com o campo magnético inerente à RM introduzindo diferenças no comportamento dos isótopos, especificamente constrangimentos no alcance dos positrões no plano transversal. Além de otimização de planos de aquisição de imagens em contexto clínico, os resultados obtidos nesta dissertação podem ser futuramente aplicados em software de reconstrução de imagem, tendo em conta as limitações referidas