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Instrumentación para Cardiología Nuclear

Margarita Núñez, PhD Montevideo, Uruguay

Declaración de conflicto de interés: Conflicto de interés con la empresa SIEMENS. Gerente de Modalidad para Imágenes Moleculares.

GAMACÁMARA:

INTRODUCCIÓN

Componentes de

la Gamacámara

Cabezal detector

¿Cómo trabaja la Gamacámara?

• Los rayos gama pasan a través del colimador y son convertidos en destellos de luz por el cristal de NaI

• la luz es convertida en una señal eléctrica por un conjunto de tubos PMT

• la señal eléctrica es separada por el circuito de posicionamiento lógico en 3 señales X,Y,Z

• X,Y - coordenadas de posición de la interacción del rayo gama en el cristal

• Z - señal de energía proporcional a la energía del rayo gamma incidente

e-

Los dínodos tienen voltaje creciente

Ánodo Fotocátodo

Electrónica

Fotón de luz

incidente

Dínodos

Tubo de vidrio al vacío

Fotoelectrón

Tubo Fotomultiplicador

γ γ

• El evento activa los FT

cercanos.

• La tasa de luz colectada en

los FT activados da la

posicion del evento (logica

Anger). • El apilamiento de pulsos

ocurre cuando los FT

activados reciben mas luz

de centelleo durante la

integracion.

• Asi grandes porciones del

detector quedan “muertas”

cada vez que hay una

interaccion.

Si el evento

apilado no es

rechazado, la logic

Anger lo coloca

aqui

La camera Anger en PET

Diseño del Detector con lógica Anger

*

50-mm

FTs

cristal continuo

Funcion de respuesta

integradas

senales FT

*

cristal discreto

39-mm FTs

Ancho Angosto

a la luz

El cristal de Ioduro de Sodio

• tiene un alto número atómico (Z=53, iodine)

• es bastante denso y por lo tanto tiene un buen poder de frenado para los rayos gama utilizados en medicina nuclear

• el número de fotones de luz es directamente proporcional a la energía del fotón gama incidente

Objetivo: convertir rayos gamma en fotones de luz

El ioduro de sodio es usado porque:

Tubos Fotomultiplicadores

• La salida del TFM es proporcional a su distancia al sitio de interacción del rayo gama

• Se asignan factores de peso a cada TFM de acuerdo a su posición en el cristal

• La suma de los factores de peso a la salida del TFM = posición del centelleo

• Las salidas de los TFM son sumadas para dar una señal proporcional a Z La salida total de los TFMs es proporcional a la luz producida en el cristal y por lo tanto a la energía del rayo gama

Espectrometría

Analizador de Altura de Pulsos

• Analiza la amplitud de la señal de energía y rechaza cualquier señal fuera de cierto límite de energía - ventana de energía

• Es utilizado para remover los rayos gama dispersados (scattered) y reducir esta energía de la imagen

• La resolución de energía del detector determina que tan angosta debe ser configurada la ventana

Resolución

Capacidad del sistema para identificar con

exactitud dos eventos separados:

por el espacio

por el tiempo

por diferentes energías

Resolución de Energía

Pasaje de los rayos gama a través de un colimador de agujeros paralelos

• El colimador guía la dirección

• El tamaño y largo de los agujeros del colimador determinan que rayos gama alcanzan el detector

• Los agujeros pequeños aumentan la resolución pero disminuyen la sensibilidad

Colimadores

• La elección del colimador determina el tamaño, la sensibilidad y la resolución de la imagen

• Ejemplos: LEHR, LEAP/LEGP, LEHS, LEUHR, LEHRFB Pinhole ME(67Ga),

HE(131I) UHE(18F)

Colimadores

Diseños de GC

Innovaciones GC

Philips Medical Systems BrightView XCT

Sistemas SPECT/CT

GE Healthcare Infinia-Hawkeye

Siemens Healthcare Systems Symbia Philips Medical Systems Precedence

Mediso, Nucline DHV/CT

Cristal de yoduro sodico

Limitaciones del SPECT

Solo una porción del cristal es usada para captar la imagen del corazón

Detectores

Diseño de las cámaras de adquisición ultra-rapida dedicadas a cardiología

Sistemas comerciales de GC de estado sólido

dedicadas a SPECT cardíaco

DSPECT – 9 CZT detectors

DNM 530c

19 CZT detectors

Cardius 3 XACT – 3 CsI cameras

Digirad

Cámaras SPECT especialmente diseñadas para cardiología nuclear

Anger Camera

Side view cutaway

End view

1985…2000 The Revolution Starts Here!!

128 “Crystal/PMTs”

GC de Estado Sólido

scintillator

lightguide

PMT CZT

γ

γ

Conversion indirecta vs directa

Anger 9.5% 99mTc:

140 keV

123I:

159 keV

50 100 150 keV 200

point sources in air

Alcyone 6.0%

Anger 9.5% 99mTc:

140 keV

123I:

159 keV

50 100 150 keV 200


Alcyone 6.0%Alcyone 6.0%

Improved Energy + Spatial Resolution

Digirad Solid-State Module

• Solid-state modular

design replaces the

photomultiplier tubes

used in conventional

cameras

• The camera head

contains 32 modules.

Si Photodiode

CsI (TI) Scintillation Crystal

Circuit BoardReadout Electronics

CsI/Si Imager Head

Collimator

Lead Shielded Head

Array of Detectors

Conventional Anger vs. Solid-State Gamma Camera

Spatial Response Comparison

0.5 3

5.5 8

10

.5

13

15

.5

18

20

.5

23

25

.5

0.5

4.5

8.5

12.5

16.5

20.5

24.5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Re

lati

ve

Re

sp

on

se

X mm

Y mm

Digirad

Camera

Scintillation

CameraDirect digital positioning

provides for excellent

spatial response and

enhanced image

contrast and resolution.

Point Spread Function

Shape Comparison

Pixellated

Anger

Digital Position SensingTM

• Excellent spatial

response

• Enhanced image

contrast

• Better image

resolution

Anger

Camera

Solid-State

Camera

Planar views

Equivalent counts in each image

Spatial Response and Source Energy

Direct Position SensingTM Anger Technology

99mTc

201Tl

With Direct Position SensingTM, intrinsic spatial response is independent

of source energy, unlike Anger technology. This means fewer uniformity

calibrations and excellent clinical image quality.

Digirad, Inc. Cardius X-ACT

System for Cardiac imaging

(w/ measured AC)


Digirad


Cámaras SPECT para cardiología nuclear

decúbito prono

GE Healthcare Discovery NM/VCT

Sistemas SPECT/CT dedicados


GE Healthcare Discovery NM/VCT

4 cm

• Multi “cameras” pinhole rinde 5-10 veces SPECT

• Enfocadas en el corazón

• Ningún movimiento (como PET)

•Usa colimadores pinhole de plomo y tungsteno

•Detectores CZT de estado sólido

Anger 9.5% 99mTc:

140 keV

123I:

159 keV

50 100 150 keV 200


Alcyone 6.0%

Anger 9.5% 99mTc:

140 keV

123I:

159 keV

50 100 150 keV 200


Alcyone 6.0%Alcyone 6.0%

Discovery NM 530c

Discovery NM: 19 proyecciones simultáneas

DNM 530c + CT AC

Emission SPECT Aligned to

Transmission CT

SPECTRUM DYNAMICS

Spectrum Dynamics: The D-SPECT Technology

D-SPECT™ Cardiac Scanner

D-SPECT™ detector unit

D-SPECT™ detector head

Enables personalized scanning: • independently controlled detector units • many scanning angles • proprietary algorithms

Up to 10X more sensitivity • ROI-centric scanning • Wide solid angle, tungsten collimators • CZT solid state detectors

Fanning CZT Detectors

D-SPECT detector geometry

CZT = Cd-Zn-Te

ROI-Centric Scanning

Flexible sampling

variable angular sampling

variable time per angle

choice of field-of-view

cardiac counts increased

compared to SPECT by ~1.5 - 2.0


SPECTRUM DYNAMICS

D-SPECT™ detector head

detector

columns


• Detectores de estado sólido CZT

• Colimadores de tungsteno

• ~ 8X más sensibilidad

Resolución de energía <6%

D-SPECT spectra

0

20

40

60

80

100

120

25 50 75 100 125 150 175 200

Energy (keV)

No

rma

lis

ed

co

un

t-ra

te (

%)

Tl-201

Gd-153

Co-57

Tc-99m

I-123


AXIS, Philips Medical Systems D-SPECT, Spectrum Dynamics

stress: 19min; rest: 11min stress: 4min; rest: 2min

Detector CZT o NaI

Sensibilidad ~3x ↑resolución

Colimador slit/slat con slits rotatorios

CardiArc


SPECT móvil

Segami

Cámaras especialmente diseñadas para cardiología nuclear

Philips


Siemens


IQ•SPECT Technology

SMARTZOOM Collimation

Acquisition Reconstruction

4x more counts from the heart than LEHR

No truncation

48,000 uniquely positioned holes

Forward

Projection

Back

Projection

Up

da

te

Co

mp

are

The SMARTZOOM collimator is designed so that the center of the field of view magnifies the heart, while the edges sample the entire body to avoid the truncation artifacts, which are common to pinhole and focusing collimators

By combining the advantages of a converging collimator at the center of the field of view and a diverging collimator at the edges, we are able to use the large FOV and to magnify the heart in two spatial dimensions (axial and transaxial)

SMARTZOOM Collimator Design Allows for the Magnification of the Heart Using a Large FOV

Converging

Diverging

LEHR Parallel Hole SMARTZOOM

LEHR Parallel Hole vs. SMARTZOOM Collimation

Acquired counts from the heart occupy a small portion of the detector

4x more counts are acquired from the heart and fewer from the rest of the body


No truncation


SMARTZOOM Collimation


Acquisition Reconstruction

Cardio-centric orbit

Heart is always in the maximum zoom area

Heart is in the center of rotation

Forward Projection

Back Projection

Up

dat

e C

om

pare

IQ•SPECT Acquisition Cardio-centric orbit

Detectors are at 104

~10 cm between the detectors


Radius of rotation = 28 cm

Rotation arc is 104

Heart is center of rotation

LEHR SPECT Acquisition

Reconstruction protocol options:

FBP:16 min, full dose

cardio•Flash: 8 min, full dose

cardio•Flash: 16 min, half dose

IQ•SPECT Technology Acquires 4x More Counts

IQ•SPECT Acquisition

4x counts allows choice of protocol:

4 min, full dose

8 min, half dose

16 min, quarter dose

SMARTZOOM Collimation Acquisition


Heart is always in the maximum zoom area

Heart is in the center of rotation


No truncation



Reconstruction

Data driven

Cardio-centric orbit modeled

Conjugate gradient method

Forward Projection

Back Projection

Up

dat

e C

om

pare

IQ•SPECT Reconstruction

Reconstructed resolution in a circular orbit (7.4 mm)*

Realizes the 4x sensitivity gain of the SMARTZOOM collimator

To accomplish these goals the reconstruction must correctly model the geometry of the SMARTZOOM collimators and the cardio-centric orbit

Forward Projection

Back Projection

Up

dat

e C

om

pare

IQ•SPECT: Normal Stress Perfusion

4 min IQ•SPECT compared to 16 min LEHR acquisition

LEHR

CTAC

IQ•SPECT

CTAC

LEHR

CTAC

IQ•SPECT

CTAC

Innovaciones Software

Reconstrucción Iterativa (RR+NR)

MLEM (OSEM)

MAP – maximum a posteriori algorithm uses MLEM with a Bayesian prior that constraints reconstruction variables

Wide Beam Reconstruction (UltraSPECT)

Astonish (Philips)

Flash3D (Siemens)

Evolution (GE)

nSPEED (Digirad)

detector

(projection)

object

requiere varias iteraciones

mejores propiedades de ruido

mitad de tiempo de adquisición

Modelado de la Resolución

Innovaciones en Procesamiento

10 min CDR compensation

20 min No compensation

RR uses real geometry

FBP Assumption

Voxels

Radioactive Source

Detector

Recuperación de Resolución

Resolution Recovery Reality

* Cut-off freq.,

Butterworth filter

OSEM+ w/

comp. of

geometric,

penetration

& scatter

OSEM+ w/

comp. of

geometric

response

only

1st it 2nd it. 5th it.

10th it. 15th it. 20th it.

FBP* w/o

any comp.

OSEM+ w/o

any comp.

0.08/pix 0.1/pix 0.15/pix

0.22/pix 0.30/pix 0.5 c/p + 16 subsets, 4

projections/subset





I-131

Data courtesy E Frey,

B Tsui, John Hopkins

Recuperación de la Resolución

Modelando la Resolución del Sistema

(UltraSPECT, Astonish, Flash, Evolution)

FBP

WBR

FBP 10 min scan

WBR 5 min scan

Muchas gracias

Diseño de Sistemas

Discovery NM 530c

Indirect vs. direct conversion

X-ray or -ray

Q.E. 20%-80%

electronics

e e e

e e

e e e

e e e

e e e

e

Photosensor (PMT):

2000 photo-electrons

Noise (APD/PD)

Gain variation

Light transport

Light generation

Direct Indirect

Scintillator (e.g. NaI:Tl):

9000 photons @ 140 keV

X-ray or -ray

electronics

e

h h

h

h h

e e e e

cathode

anode

Noise

Charge generation

Charge transport

Assuming no other sources of noise,

Poisson statistics dictates energy resolution:

FWHM ~ 2.355 / N

~ 6 % for NaI

~ 1.4 % for CZT

energy light photo-electrons

energy charge carriers

Direct Conversion (CZT):

30,000 photons @ 140 keV

Not achieved

in practice…

↑Contrast → ↑Ischemia detection

Effecto de Regularizacion de Ruido

en el Contraste del Defecto

Original Count Profile Smoothed Count Profile

Regularized Count Profile

Defect

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