Absolute quantification in brain SPECT imaging

Abstract

Certes malalties neurològiques estan associades amb problemes en els sistemes de neurotransmissió. Una aproximació a l'estudi d'aquests sistemes és la tomografia d'emissió SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) com a tècnica<br/>no-invasiva que proporciona imatges funcionals representatives de l'activitat neuronal. Aquesta tècnica permet la visualització i l'anàlisi de diferents òrgans i teixits dins l'àmbit de la Medicina Nuclear.<br/><br/>Malgrat que la inspecció visual de la imatge a vegades és suficient per establir el diagnòstic, la quantificació dels paràmetres de la imatge reconstruida poden millorar la fiabilitat i exactitud del diagnòstic precoç de la malaltia. En particular, la quantificació d'estudis de neurotransmissors de dopamina pot ajudar a detectar els estadis inicials de malalties com el Parkinson. Així mateix, la quantificació permet un seguiment més acurat de l'evolució de la malaltia i una evaluació dels efectes de la terapèutica aplicada.<br/><br/>La quantificació es veu afectada pels efectes degradants de la imatge com són el soroll estadístic, la resposta del sistema col.limador/detector i l'efecte de dispersió i/o atenuació dels fotons en la seva interacció amb la matèria. Alguns d'aquests efectes poden ser corregits mitjançant l'ús d'algoritmes de reconstrucció iteratius.<br/><br/>L'objectiu d'aquesta tesi és aconseguir una quantificació tant absoluta com relativa dels valors numèrics de la imatge reconstruida de manera que reprodueixin la distribució d'activitat real del pacient en el moment de l'adquisició de l'estudi de SPECT. Per aconseguir-ho s'han desenvolupat diferents codis i algoritmes per millorar els mètodes de reconstrucció existents i validar-ne els seus resultats.<br/><br/>La validació i millora dels algoritmes s'ha basat en l'ús de tècniques de simulació Monte Carlo. S'han analitzat els diferents codis Monte Carlo disponibles en l'àmbit de la Medicina Nuclear i s'ha escollit SimSET. La interpretació dels resultats obtinguts i la comparació amb els resultats experimentals ens van dur a incorporar modificacions en el codi original. D'aquesta manera vam obtenir i validar SimSET com a generador d'estudis de SPECT a partir de pacients i objectes virtuals.<br/><br/>La millora dels algoritmes es va basar en la incorporació de models analítics de la resposta del sistema col.limador/detector. La modelització del sistema es va implementar per diferents configuracions i energies de la font amb la utilització del codi Monte Carlo PENELOPE. Així mateix es va dissenyar un nou algoritme iteratiu que incorporés l'efecte 3D del sistema i es va tenir en compte la valoració de la imatge en tot el seu volum.<br/><br/>Finalment, es va proposar una correcció de l'scattering utilitzant el simulador SimSET modificat per tal d'accelerar el procés de reconstrucció. Els valors reconstruits de la imatge ens han permès recuperar més d'un 95\% dels valors originals, permetent per tant la quantificació absoluta de les imatges de SPECT.

Many forms of brain diseases are associated with problems in the neurotransmission systems. One approach to the assessment of such systems is the use of Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) brain imaging. Neurotransmission SPECT has become an important tool in neuroimaging and is today regarded as a useful method in both clinical and basic research. SPECT is able to non-invasively visualize and analyze different organs and tissues functions or properties in Nuclear Medicine.<br/><br/>Although visual inspection is often sufficient to assess neurotransmission imaging, quantification might improve the diagnostic accuracy of SPECT studies of the dopaminergic system. In particular, quantification of neurotransmission SPECT studies in Parkinson Disease could help us to diagnose this illness in the early pre-clinical stages. One of the main research topics in SPECT is to achieve early diagnosis, indeed preclinical diagnosis in neurodegenerative illnesses. In this field detailed analysis of shapes and values of the region of interest (ROIs) of the image is important, thus quantification is needed. Moreover, quantification allows a follow-up of the progression of disease and to assess the effects of potential neuroprotective treatment strategies. Therefore, the aim of this thesis is to achieve quantification of both the absolute activity values and the relative values of the reconstructed SPECT images.<br/><br/>Quantification is affected by the degradation of the image introduced by statistical noise, attenuation, collimator/detector response and scattering effects. Some of these degradations may be corrected by using iterative reconstruction algorithms, which thus enable a more reliable quantification. The importance of correcting degradations in reconstruction algorithms to improve quantification accuracy of brain SPECT studies has been proved.<br/><br/>Monte Carlo simulations are the --gold standard' for testing reconstruction algorithms in Nuclear Medicine. We analyzed the available Monte Carlo codes and we chose SimSET as a virtual phantom simulator. A new stopping criteria in SimSET was established in order to reduce the simulation time. The modified SimSET version was validated as a virtual phantom simulator which reproduces realistic projection data sets in SPECT studies.<br/><br/>Iterative algorithms permit modelling of the projection process, allowing for correction of spatially variant collimator response and the photon crosstalk effect between transaxial slices. Thus, our work was focused on the modelling of the collimator/detector response for the parallel and fan beam configurations using the Monte Carlo code PENELOPE. Moreover, a full 3D reconstruction with OS-EM algorithms was developed.<br/><br/>Finally, scattering has recognized to be one of the most significant degradation effects in SPECT quantification. Nowadays this subject is an intensive field of research in SPECT techniques. Monte Carlo techniques appear to be the most reliable way to include this correction. The use of the modified SimSET simulator accelerates the forward projection process although the computational burden is already a challenge for this technique.<br/><br/>Full 3D reconstruction simultaneously applied with Monte Carlo-based scattering correction and the 3D evaluation procedure is a major upgrade technique in order to obtain valuable, absolute quantitative estimates of the reconstructed images. Once all the degrading effects were corrected, the obtained values were 95\% of the theoretical values. Thus, the absolute quantification was achieved.