Evaluation of the respiratory motion effect in small animal PET images with GATE Monte Carlo simulations

The rapid growth in genetics and molecular biology combined with the development of techniques for genetically engineering small animals has led to increased interest in in vivo small animal imaging. Small animal imaging has been applied frequently to the imaging of small animals (mice and rats), which are ubiquitous in modeling human diseases and testing treatments. The use of PET in small animals allows the use of subjects as their own control, reducing the interanimal variability. This allows performing longitudinal studies on the same animal and improves the accuracy of biological models. However, small animal PET still suffers from several limitations. The amounts of radiotracers needed, limited scanner sensitivity, image resolution and image quantification issues, all could clearly benefit from additional research. Because nuclear medicine imaging deals with radioactive decay, the emission of radiation energy through photons and particles alongside with the detection of these quanta and particles in different materials make Monte Carlo method an important simulation tool in both nuclear medicine research and clinical practice. In order to optimize the quantitative use of PET in clinical practice, data- and image-processing methods are also a field of intense interest and development. The evaluation of such methods often relies on the use of simulated data and images since these offer control of the ground truth. Monte Carlo simulations are widely used for PET simulation since they take into account all the random processes involved in PET imaging, from the emission of the positron to the detection of the photons by the detectors. Simulation techniques have become an importance and indispensable complement to a wide range of problems that could not be addressed by experimental or analytical approaches.

Radiological imaging in digital systems: the effect of exposure parameters in diagnostic quality and patient dose

Esta tese pretende contribuir para o estudo e análise dos factores relacionados com as técnicas de aquisição de imagens radiológicas digitais, a qualidade diagnóstica e a gestão da dose de radiação em sistema de radiologia digital. A metodologia encontra-se organizada em duas componentes. A componente observacional, baseada num desenho do estudo de natureza retrospectiva e transversal. Os dados recolhidos a partir de sistemas CR e DR permitiram a avaliação dos parâmetros técnicos de exposição utilizados em radiologia digital, a avaliação da dose absorvida e o índice de exposição no detector. No contexto desta classificação metodológica (retrospectiva e transversal), também foi possível desenvolver estudos da qualidade diagnóstica em sistemas digitais: estudos de observadores a partir de imagens arquivadas no sistema PACS. A componente experimental da tese baseou-se na realização de experiências em fantomas para avaliar a relação entre dose e qualidade de imagem. As experiências efectuadas permitiram caracterizar as propriedades físicas dos sistemas de radiologia digital, através da manipulação das variáveis relacionadas com os parâmetros de exposição e a avaliação da influência destas na dose e na qualidade da imagem. Utilizando um fantoma contraste de detalhe, fantomas antropomórficos e um fantoma de osso animal, foi possível objectivar medidas de quantificação da qualidade diagnóstica e medidas de detectabilidade de objectos. Da investigação efectuada, foi possível salientar algumas conclusões. As medidas quantitativas referentes à performance dos detectores são a base do processo de optimização, permitindo a medição e a determinação dos parâmetros físicos dos sistemas de radiologia digital. Os parâmetros de exposição utilizados na prática clínica mostram que a prática não está em conformidade com o referencial Europeu. Verifica-se a necessidade de avaliar, melhorar e implementar um padrão de referência para o processo de optimização, através de novos referenciais de boa prática ajustados aos sistemas digitais. Os parâmetros de exposição influenciam a dose no paciente, mas a percepção da qualidade de imagem digital não parece afectada com a variação da exposição. Os estudos que se realizaram envolvendo tanto imagens de fantomas como imagens de pacientes mostram que a sobreexposição é um risco potencial em radiologia digital. A avaliação da qualidade diagnóstica das imagens mostrou que com a variação da exposição não se observou degradação substancial da qualidade das imagens quando a redução de dose é efectuada. Propõe-se o estudo e a implementação de novos níveis de referência de diagnóstico ajustados aos sistemas de radiologia digital. Como contributo da tese, é proposto um modelo (STDI) para a optimização de sistemas de radiologia digital.

Lesion detection performance: comparative analysis of low-dose CT data of the chest on two hybrid imaging systems

Incidental findings on low-dose CT images obtained during hybrid imaging are an increasing phenomenon as CT technology advances. Understanding the diagnostic value of incidental findings along with the technical limitations is important when reporting image results and recommending follow-up, which may result in an additional radiation dose from further diagnostic imaging and an increase in patient anxiety. This study assessed lesions incidentally detected on CT images acquired for attenuation correction on two SPECT/CT systems. Methods: An anthropomorphic chest phantom containing simulated lesions of varying size and density was imaged on an Infinia Hawkeye 4 and a Symbia T6 using the low-dose CT settings applied for attenuation correction acquisitions in myocardial perfusion imaging. Twenty-two interpreters assessed 46 images from each SPECT/CT system (15 normal images and 31 abnormal images; 41 lesions). Data were evaluated using a jackknife alternative free-response receiver-operating-characteristic analysis (JAFROC). Results: JAFROC analysis showed a significant difference (P < 0.0001) in lesion detection, with the figures of merit being 0.599 (95% confidence interval, 0.568, 0.631) and 0.810 (95% confidence interval, 0.781, 0.839) for the Infinia Hawkeye 4 and Symbia T6, respectively. Lesion detection on the Infinia Hawkeye 4 was generally limited to larger, higher-density lesions. The Symbia T6 allowed improved detection rates for midsized lesions and some lower-density lesions. However, interpreters struggled to detect small (5 mm) lesions on both image sets, irrespective of density. Conclusion: Lesion detection is more reliable on low-dose CT images from the Symbia T6 than from the Infinia Hawkeye 4. This phantom-based study gives an indication of potential lesion detection in the clinical context as shown by two commonly used SPECT/CT systems, which may assist the clinician in determining whether further diagnostic imaging is justified.