Tesi e Ricerca in collaborazione  
Policlinico S. Orsola - Malpighi

Via Massarenti, 9

 

Deblurring per il range del positrone di immagini PET cliniche e di piccoli animali

1 Introduzione

La tomografia ad emissione di positroni (PET) si basa sulla rivelazione dei fotoni di annichilazione elettrone-positrone misurati in coincidenza. Tale misura permette di definire una linea di risposta che opportunamente inserita nel processo di ricostruzione consente di ottenere la concentrazione del radiofarmaco nel paziente (figura 1).

Figura 1 Esempio di immagine PET ottenuta utlizzando FDG. Le aree più scure rappresentano zone di maggior captazione del radiofarmaco il quale viene fissato dalle masse tumorali.     

Il processo di annichilazione non avviene esattamente nel punto di emissione ma una distanza (range) dipendente dall’energia del positrone emesso durante il decadimento (figura 2). Differenti radioisotopi sono caratterizzati da una differente energia massima del positrone e di conseguenza la distanza tra il punto di annichilazione e di emissione sarà dipendente dal tipo di isotopo.

Tale processo implica un blurring intrinseco al quale tipicamente si associa quello del sistema di rivelazione e quello legato al processo di ricostruzione.

Figura 2 Schema del processo di emissione e di annichilazione del positrone con conseguente emissione di due fotoni collineari da 511 keV. Come si vede dalla figura l’annichilazione non avviene esattamente nel punto di emissione ma una distanza dipendente dall’energia del positrone emesso durante il decadimento.

Lo studio del blurring intrinseco può essere effettuato medianti simulazioni montecarlo le quali permettono di ottenere la funzione di distribuzione spaziale di annichilazione positroni (figure 3 e 4).

 Figura 3 Esempio di simulazione di 100 tragitti di positroni in acqua ottenute utilizzando simulazioni montecarlo  (da Levin and Hoffman 1999)

Le curve mostrate in figura 4 possono essere descritte con una finzione bi-esponenziale P(x) definita da:

                           (1)

Dove C, k₁ e k₂ sono parametri dipendenti dall’isotopo e dal materiale attraversato e vengono ottenuti fittando le curve in figura 4.  Dal punto di vista matematico l’equazione 1 descrive il kernel del processo di blurring. 

Figura 4 La figura mostra differenti curve di distribuzione dei positroni per differenti isotopi  (da Levin and Hoffman 1999)

2 Dati sperimentali preliminari

In via preliminare al fine di studiare l’effetto del range del positrone sulla risoluzione spaziale sono state acquisite utilizzando un tomografo PET per piccoli animali (installato presso il reparto di medicina nucleare del Policlinico S. Orsola-Malpighi) una serie di immagini di un oggetto test riempito con due diversi isotopi.

L’oggetto test è costituito da un cilindro dove sono praticati fori di diversi diametri (da 1.2 a 2.5 mm). Come si vede l’immagine ottenuta con ⁶⁸Ga mostra un significativo degradamento della risoluzione rispetto all’immagine ottenuta riempiendo il fantoccio con una soluzione di ¹⁸F (figura 5).

    Figura 5 L’immagine sulla sinistra è stata ottenuta riempiendo lo strumento test con ¹⁸F mentre l’immagine di destra è stata ottenuta utilizzando una soluzione contenente ⁶⁸Ga.

3 Obbiettivi del lavoro di tesi

Gli obbiettivi del lavoro di tesi proposto sono quelli di sviluppare un metodo robusto di deblurring per il range del positrone per immagini PET. Tale metodo dovrà in primo luogo tenere conto delle differenze tra dei diversi organi e/o tessuti (es. polmone,  osso ecc.) e inoltre dovrà mostrarsi robusto visto il rumore presente nelle immagini PET. Particolare attenzione verrà posta all’applicazione di tale metodo su immagini ottenute utilizzando un tomografo PET per piccoli animali (topi, ratti). Tale applicazione risulta essere cruciale per immagini PET di piccoli animali visto che in questo caso il blurring legato al range del positrone è comparabile a quello introdotto dal sistema di rivelazione. 

Viste le premesse il lavoro proposto risulta essere innovativo e di elevato impatto nel campo dell’imaging molecolare pre-clinico (figura 6).

    Figura 6 L’immagine sulla sinistra è stata ottenuta effettuando un volume rendering di una immagine microCT (ratto con mezzo di contrasto vascolare). L’immagine sulla sinistra mostra una sovrapposizione PET-CT.