GATE Model of a SPECT-CT equipment for breast cancer diagnosis

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Radiações em Diagnóstico e Terapia)Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016Dedicated imaging systems for breast cancer imaging have been comprehensively studied over the past decade. However, since they comprise only one imaging modality these systems are only able to provide either anatomical or functional information of the object of interest. The aim of this work was to simulate and evaluate the implementation of a dedicated system that would be able to extract information regarding both systems in order to provide a complementary diagnostic tool which could be used in inconclusive diagnosis cases. The proposed solution was to develop two dedicated systems. A dedicated breast computed tomography (DBCT) system that would provide anatomical information and a dedicated single photon emission mammography (SPEM), using convergent collimators, that would retrieve functional information. To create a computer model of this multimodality system, Monte Carlo (MC) simulations were conducted with Geant4 Application for Emission Tomography (GATE) using a simple breast cylindrical phantom with 35 mm radius and 150 mm height, which had 5 mm radius spherical masses composed of aluminum inside it. For DBCT, the MC simulations were acquired with a PaxScan A® 2520D/CL Amorphous Silicon Digital X-Ray Imager with total dimensions of 192x242x4 mm and 0.508x0.508x4 mm pixels, over 16 projections covering 180º of the phantom, extended to 360º exploiting its cylindrical symmetry. Inside the phantom were placed 5 tumour masses equidistantly along two axis with a tumour mass at the center. For SPECT, the MC simulations were performed using a dual-head SPECT scanner designed by Dr. Ricardo Capote with 64.0x151.2x188.5 mm as dimensions with pixelated LYSO crystals of 20x2x2 mm and convergent collimators with the same phantom, but with the same 5 mm radius tumour masses placed solely in the x axis. The MC simulations were conducted in a computer cluster with 4 executions machines. The projections resultant of the simulations were reconstructed using different algorithms. For DBCT it was used an analytical method of filtered backprojection (FBP) and for SPEM it was used an iterative maximum likelihood expectation maximization (MLEM) algorithm. To validate the results two non-absolut metrics were calculated to make a relative evaluation of the image quality results. These metrics were only applied to DBCT, since the results obtained for SPEM were not as expected. Contrast and contrast to noise ratio demonstrated that the image quality degrades from the center to the periphery of the DBCT detector. In conclusion, the acquired results demonstrated the feasibility of breast dedicated systems to, especially for the DBCT system, which yielded the best results, but further development need to be pursued in order to take the most potential of the developed systems which have potential for being used in future studies with more complex and realistic conditions and voxelised phantoms.O cancro da mama é o tipo de cancro mais diagnosticado nas mulheres, precedido apenas em termos de incidência estatística pelo cancro da pele. No que diz respeito ao número de mortes, o cancro da mama encontra-se também entre os mais importantes relativamente às mulheres, sendo secundado apenas pelo cancro do pulmão em mortalidade. A deteção precoce de neoplasias na mama ganha assim um papel fundamental de forma a garantir o sucesso do tratamento, melhorando as taxas de sobrevivência daqueles aos quais são diagnosticadas neoplasias mamárias. É nessa deteção que a imagiologia médica se apresenta atualmente como essencial. Não apenas no tremendo esforço nas últimas décadas por melhorar as modalidades imagiológicas já implementadas clinicamente, mas também pelo desenvolvimento de novas que possam adicionar nova informação relevante, especialmente quando perante casos em que o exame médico utilizado não é conclusivo. Atualmente, a mamografia por raios X é a técnica imagiológica utilizada em prática clínica corrente em rastreios de cancro da mama, rastreios esses que permitem um diagnóstico mais precoce, tendo contribuído nas últimas décadas para um aumento muito significativo das taxas de sobrevivência. No entanto, esta técnica apresenta diversas limitações que podem condicionar o correto diagnóstico dos doentes. Sendo uma técnica que fornece essencialmente informação anatómica e a duas dimensões, apesar de esta oferecer um elevado nível de sensibilidade, a sua especificidade é menor. Isto pode levar a uma menor capacidade de discernir entre lesão benigna e maligna, resultado principalmente da não incorporação de informação metabólica relativa às massas tumorais, bem como, da possibilidade da não identificação de neoplasias, resultado da sobreposição de planos sempre inerente a uma técnica imagiológica apenas a duas dimensões. Desta forma, torna-se necessário recorrer a outras técnicas que providenciem informação adicional sobre as neoplasias detetadas, mas também que possibilitem a visualização a três dimensões, evitando ao máximo procedimentos invasivos desnecessários, tais como biopsias. Sistemas dedicados para examinar a mama, tirando partido da cada vez maior miniaturização dos componentes eletrónicos essenciais para o desenvolvimento de novos detetores, que possibilitem a aquisição a três dimensões, com uma menor dose de radiação ionizante, surgem com grande expressão em todo o trabalho de investigação realizado no desenvolvimento na área da imagiologia médica. Este incide não só no sentido de restringir ao máximo a zona sobre a qual incide a radiação, mas também no sentido de dar novas ferramentas de diagnóstico para casos onde este é mais difícil, sobretudo quando relativo a mamas de maior densidade. Nesse sentido, e como forma de obter informação complementar, a tomografia computorizada (TC) por raios X – que fornece informação anatómica tridimensional – e a tomografia computorizada por emissão de fotão único (TCEFU), que ao ser aplicada em específico ao exame da mama toma o nome de mamografia por emissão de fotão único (MEFU) – que providencia informação funcional tridimensional – são duas modalidades que podem ser utilizadas em sistemas dedicados, como forma de meio de diagnóstico complementar, combatendo assim as limitações inerentes à mamografia. Nesta dissertaçãio, é apresentada uma solução que, por meio da incorporação de dois sistemas dedicados das modalidades acima mencionadas, tem como objetivo a implementação através de simulações de Monte Carlo (MC), com recurso ao programa Geant4 Application for Emission Tomography (GATE) que possui a sua própria linguagem macro dedicada para desenvolvimento de simulações de MC. Este programa, pela incorporação de outros programas externos a si (CLHEP, ROOT, for GEometry ANd Tracking (Geant4)), permite projetar simulações complexas, combinando a vantagem da utilização do Geant4 - com os seus processos físicos bem validados e geometria sofisticada - com funcionalidades próprias para tomografia de emissão. Uma vez que o GATE utiliza uma linguagem própria, a necessidade de uma programação de outra forma exaustiva em C++ é eliminada, necessidade essa que seria uma realidade caso fosse usado o Geant4 diretamente. Utilizando um fantoma cilíndrico com 35 mm de raio e 150 mm de altura, com composição semelhante a tecido mamário, foram realizadas simulações para ambas as modalidades, onde foram colocadas massas tumorais compostas por alumínio, ao longo de várias posições no mesmo eixo, de forma a avaliar a qualidade da imagem conseguida através da aquisição por parte destes equipamentos. A simulação de TC foi efetuada colocando no interior do fantoma 5 massas tumorais com 5 mm de raio equidistantes entre si ao longo do eixo do e do , resultando numa disposição em L. A aquisição foi adquirida em 16 projeções de 10 s a 180o do cilindro, totalizando um tempo total de 160 s. De forma a englobar 360o em torno do fantoma as projeções obtidas foram posteriormente espelhadas e incorporados no resultado final, aproveitando a simetria simétrica do mesmo. A disposição em L permitiu assim verificar a qualidade da imagem reconstruída relativamente a dois tipos de distância em relação ao centro do detetor de 192x242x4 mm, compostos por pixéis quadrangulares de dimensões 0.508x0.508x4 mm. Para o MEFU foi utilizado o detetor desenvolvido pelo Dr. Ricardo Capote, utilizando os mesmos parâmetros de aquisição utilizados no trabalho desenvolvido pelo Dr. Ricardo Capote, composto por duas câmaras gama de 64x151.2x188.5 mm, constituídos por cristais pixelizados de LYSO, sendo que cada um tinha 20x2x2 mm. De forma a direcionar a radiação gama a detetar estas câmaras utilizavam também colimadores convergentes. Tal como no trabalho do Dr. Ricardo Capote foram feitas simulações com 64 projeções por câmara ao longo de uma órbita circular, totalizando 10 minutos de duração de exame. No entanto, ao contrário do que aconteceu para a modalidade de TC, apenas se realizaram simulações onde foram inseridas no interior massas tumorais que variavam a sua posição relativa, apenas em uma coordenada. Os ficheiros finais da TC foram posteriormente processados com recurso a um ficheiro de C++, utilizando comandos próprios do programa ROOT, de forma a extrair as projeções da imagem, sendo posteriormente feita a sua reconstrução tridimensional utilizando o algoritmo analítico Filtered BackProjection (FBP), implementado no MATLAB®. De forma similar, os resultados da MEFU foram tratados por um ficheiro .C que extraía as contagens nos detetores a partir do ficheiro resultado das simulações, sendo estes posteriormente reconstruídos tridimensionalmente com recurso ao algoritmo iterativo Maximum Likelihood Expectation Maximization (MLEM). Após ser feita a reconstrução de ambas as modalidades, os resultados foram validados por meio da utilização de métricas não-absolutas relativas apenas para a TC, nomeadamente o contraste e o rácio entre o contraste e o ruído. Os resultados obtidos demonstraram uma degradação da imagem do centro do detetor para a periferia, degradação essa que seria o expectável tendo em conta a geometria de toda a simulação. Desta forma, foram implementados ambos sistemas com a visualização de um fantoma cilíndrico simples. As métricas utilizadas para avaliação na TC comprovaram a sua viabilidade. No entanto, o desenvolvimento destes sistemas, teve como principal objetivo permitir a possibilidade de ser realizada uma futura implementação que incorporasse as duas modalidades, dando assim dois tipos de informação complementares no mesmo exame. De modo a que o modelo pudesse ser utilizado em ocasiões futuras, e até como ponto de referência para a utilização do próprio GATE em qualquer projeto, a metodologia empregue foi descrita exaustivamente. Espera-se que o modelo elaborado no decorrer deste trabalho, apesar dos resultados de MEFU não terem sido os melhores, possa servir como ponto de partida para novos estudos. Estudos futuros poderão incorporar algoritmos mais complexos de reconstrução, ou ainda efetuar a adaptação das simulações de MC para utilização computação em GPU, utilizando fantomas voxelizados, podendo assim diminuir drasticamente o tempo de computação das simulações