Motion Correction Algorithm of Lung Tumors for Respiratory Gated PET Images

Respiratory gating in lung PET imaging to compensate for respiratory motion artifacts is a current research issue with broad potential impact on quantitation, diagnosis and clinical management of lung tumors. However, PET images collected at discrete bins can be significantly affected by noise as there are lower activity counts in each gated bin unless the total PET acquisition time is prolonged, so that gating methods should be combined with imaging-based motion correction and registration methods. The aim of this study was to develop and validate a fast and practical solution to the problem of respiratory motion for the detection and accurate quantitation of lung tumors in PET images. This included: (1) developing a computer-assisted algorithm for PET/CT images that automatically segments lung regions in CT images, identifies and localizes lung tumors of PET images; (2) developing and comparing different registration algorithms which processes all the information within the entire respiratory cycle and integrate all the tumor in different gated bins into a single reference bin. Four registration/integration algorithms: Centroid Based, Intensity Based, Rigid Body and Optical Flow registration were compared as well as two registration schemes: Direct Scheme and Successive Scheme. Validation was demonstrated by conducting experiments with the computerized 4D NCAT phantom and with a dynamic lung-chest phantom imaged using a GE PET/CT System. Iterations were conducted on different size simulated tumors and different noise levels. Static tumors without respiratory motion were used as gold standard; quantitative results were compared with respect to tumor activity concentration, cross-correlation coefficient, relative noise level and computation time. Comparing the results of the tumors before and after correction, the tumor activity values and tumor volumes were closer to the static tumors (gold standard). Higher correlation values and lower noise were also achieved after applying the correction algorithms. With this method the compromise between short PET scan time and reduced image noise can be achieved, while quantification and clinical analysis become fast and precise.

Reorientação da formação em saúde: a contribuição do programa PET-Saúde

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Teranostica: diagnosi e cura attraverso nanoparticelle

La prospettiva della teranostica è quella di effettuare contemporaneamente diagnosi e cura, individuando le singole particelle tumorali. Questo è possibile grazie a nanoparticelle magnetiche, entità multifunzionali rivestite da un polimero, accompagnate nel luogo di interesse mediante un campo magnetico esterno. Per quanto riguarda la diagnosi possono essere utilizzate come agenti nella risonanza magnetica nucleare per aumentare il contrasto dell’immagine e consentire una migliore rivelazione del tumore. Per quanto riguarda la terapia esse sono utilizzate per l’ipertermia magnetica, tecnica basata sul riscaldamento mediante l’applicazione di un debole campo magnetico alternato dotato di un’opportuna frequenza. In questo modo le cellule tumorali, essendo più sensibili al calore rispetto a quelle sane, vengono distrutte, una volta raggiunta una temperatura locale tra i 41 e i 46°C. Un’altra grande applicazione terapeutica è il rilascio controllato e mirato dei farmaci (drug target delivery). Infatti un opportuno rivestimento polimerico consente di coniugare alla particella dei medicinali chemioterapici che, una volta raggiunta la zona tumorale, possono essere rilasciati nel tempo, permettendo dunque la somministrazione di una minor dose e un’azione più mirata rispetto ai classici trattamenti. I materiali maggiormente utilizzati per la sintesi delle nanoparticelle sono gli ossidi di ferro (come la magnetite Fe3O4 e la maghemite γ − Fe2O3) e l’oro. Tuttavia, nonostante i possibili vantaggi, questi trattamenti presentano degli effetti collaterali. Trattandosi infatti di particelle ultrafini, dell’ordine dei nanometri, possono migrare all’interno del corpo umano raggiungendo organi bersaglio e comprometterne il loro funzionamento. La teranostica, però, è una disciplina molto studiata e in via di sviluppo; si spera che da qui a breve sia possibile un utilizzo concreto di questi nuovi metodi, riducendo al minimo la tossicità per il corpo umano.

Valutazione dosimetrica e aspetti tecnici di trattamenti VMAT (Volumetric Modulated Arc Therapy) in radioterapia oncologica

La VMAT (Volumetric Modulated Arc Therapy) è una delle più recenti tecniche radioterapiche, in cui, oltre alla modulazione geometrica della fluenza del campo di radiazione come avviene nell’IMRT (Intensity Modulated Radiotherapy), sono variati durante il trattamento anche la velocità del gantry e il rateo di dose. La radiazione è erogata senza interruzioni lungo uno o più archi continui della testata dell’acceleratore, così da ridurre i tempi di trattamento in modo sostanziale rispetto all’IMRT. Nelle tecniche ad intensità modulata, ed in particolare nella VMAT, il lettino porta paziente modifica la distribuzione di dose durante gli irraggiamenti posteriori, riducendo quella al target e aumentando quella superficiale. Il presente lavoro di tesi, che ha proprio l’obiettivo di valutare questi aspetti dosimetrici in un’ottica pre-clinica, è stato svolto presso il Servizio di Fisica Sanitaria del Policlinico S.Orsola–Malpighi, Azienda Ospedaliero-Universitaria di Bologna. Le misure sono state effettuate presso le U.O. Radioterapia-Morganti e Radioterapia-Frezza f.f. della medesima Azienda Sanitaria, al fine di caratterizzare dal punto di vista dosimetrico il lettino di trattamento iBEAM evo dell’acceleratore lineare Synergy Elekta. L’attenuazione misurata in caso di incidenza perpendicolare del fascio sul lettino, in buon accordo con gli articoli di riferimento, è stata: (2.81±0.06)% per fotoni di energia di 6 MV, (1.81±0.10)% a 10 MV e (1.38±0.05)% a 15 MV. L’attenuazione massima misurata con fotoni di energia di 6 MV si è avvicinata al 4% negli irraggiamenti obliqui. Infine, è stato analizzato il confronto con statistica gamma fra distribuzione di dose pianificata e misurata prima e dopo aver modellizzato le caratteristiche del lettino nel software per l’elaborazione del piano di trattamento. Solo dopo tale operazione, i due casi VMAT analizzati (tumore dell’orofaringe e prostatico) superano i criteri più restrittivi e affidabili utilizzati nella pratica clinica.

Continuous innovation in food and beverage packaging design. Progetto di tutorial per lo studio di nuove forme di contenitore in PET.

Mi sono occupato di confezionamento di bevande, un settore che utilizza largamente il PET. Il progetto di tesi consiste in un processo che serve a ideare nuove forme di contenitore in PET attraverso strumenti di ricerca e innovazione.

Analisi preliminare dei risultati di TC perfusionale effettuata su tessuto polmonare sano

Le ultime ricerche in campo oncologico sulle cure antitumorali sono indirizzate verso una categoria definita target therapy. In particolare tra le più promettenti, le terapie antiangiogenetiche, il cui scopo primario è quello di limitare l’apporto di sangue al tumore. In questo contesto la Tomografia Computerizzata (TC) perfusionale rappresenta un’importante tecnica di imaging radiologico in grado, teoricamente, di fornire misure quantitative, che permettano una valutazione, anche precoce, della risposta alle terapie antiangiogenetiche. I principali problemi aperti in questo campo riguardano la standardizzazione dei protocolli di acquisizione e di elaborazione delle sequenze perfusionali, che determinano la scarsa riproducibilità dei risultati intra- ed inter-paziente, non consentendone l’uso nella pratica clinica. In letteratura sono presenti diversi studi riguardanti la perfusione dei tumori polmonari, ma vi sono pochi studi sull’affidabilità dei parametri perfusionali calcolati. Questa Tesi si propone di analizzare, quantificare e confrontare gli errori e l’affidabilità dei parametri perfusionali calcolati attraverso la TC perfusionale. In particolare, vengono generate delle mappe di errore ed effettuati dei confronti di diverse regioni del polmone sano. I risultati ottenuti dall’analisi dei casi reali sono discussi al fine di poter definire dei livelli di affidabilità dei parametri perfusionali e di quantificare gli errori che si commettono nella valutazione dei parametri stessi. Questo studio preliminare consentirà, quindi, un’analisi di riproducibilità, permettendo, inoltre, una normalizzazione dei valori perfusionali calcolati nella lesione, al fine di effettuare analisi intra- ed inter-paziente.

Studio di contenitori in PET per riempimento a caldo nitro-hot-fill

Lo scopo di questa attività è approfondire le conoscenze sul processo di riempimento a caldo noto come nitro-hot-fill (NHF) utilizzato per contenitori in PET. Il nostro obiettivo è quello di simulare su scala di laboratorio il processo industriale al fine di ottimizzarne i parametri e aumentare la stabilità dei contenitori anche attraverso l’utilizzo di materie prime con caratteristiche migliorate utilizzando formulazioni adatte ai trattamenti a caldo. Il processo consiste nel riempimento della bottiglia ad una temperatura tra gli 80°/85°C, successivo al quale vi è l’iniezione di azoto al fine di evitare l’implosione durante il raffreddamento fino a temperatura ambiente. Questo settore del mercato è in forte crescita, molte bevande infatti hanno la necessità di un contenitore asettico; il processo di NHF ha il vantaggio di utilizzare il calore del prodotto stesso al fine di rendere la bottiglia sterile. Da qui nascono le criticità legate al processo, occorre prendere diversi accorgimenti al fine di rendere processabile in questo modo una bottiglia, infatti l’aumento di pressione interna dovuto all’iniezione di azoto si accompagna una temperatura vicina alla temperatura di transizione vetrosa. La nostra attività di ricerca ha focalizzato la propria attenzione sul design della bottiglia, sul processo di stiro-soffiaggio, sull’influenza dell’umidità assorbita nel PET, sul materiale utilizzato e su altri parametri di processo al fine di produrre contenitori in grado di resistere al riempimento NHF.

The use of PET-CT in the assessment of patients with colorectal carcinoma.

Colorectal cancer is the third most commonly diagnosed cancer, accounting for 53,219 deaths in 2007 and an estimated 146,970 new cases in the USA during 2009. The combination of FDG PET and CT has proven to be of great benefit for the assessment of colorectal cancer. This is most evident in the detection of occult metastases, particularly intra- or extrahepatic sites of disease, that would preclude a curative procedure or in the detection of local recurrence. FDG PET is generally not used for the diagnosis of colorectal cancer although there are circumstances where PET-CT may make the initial diagnosis, particularly with its more widespread use. In addition, precancerous adenomatous polyps can also be detected incidentally on whole-body images performed for other indications; sensitivity increases with increasing polyp size. False-negative FDG PET findings have been reported with mucinous adenocarcinoma, and false-positive findings have been reported due to inflammatory conditions such as diverticulitis, colitis, and postoperative scarring. Therefore, detailed evaluation of the CT component of a PET/CT exam, including assessment of the entire colon, is essential.

Data-Driven Motion Detection and Characterization in PET Brain Scans Using List Mode

Head motion during a Positron Emission Tomography (PET) brain scan can considerably degrade image quality. External motion-tracking devices have proven successful in minimizing this effect, but the associated time, maintenance, and workflow changes inhibit their widespread clinical use. List-mode PET acquisition allows for the retroactive analysis of coincidence events on any time scale throughout a scan, and therefore potentially offers a data-driven motion detection and characterization technique. An algorithm was developed to parse list-mode data, divide the full acquisition into short scan intervals, and calculate the line-of-response (LOR) midpoint average for each interval. These LOR midpoint averages, known as “radioactivity centroids,” were presumed to represent the center of the radioactivity distribution in the scanner, and it was thought that changes in this metric over time would correspond to intra-scan motion.

Several scans were taken of the 3D Hoffman brain phantom on a GE Discovery IQ PET/CT scanner to test the ability of the radioactivity to indicate intra-scan motion. Each scan incrementally surveyed motion in a different degree of freedom (2 translational and 2 rotational). The radioactivity centroids calculated from these scans correlated linearly to phantom positions/orientations. Centroid measurements over 1-second intervals performed on scans with ~1mCi of activity in the center of the field of view had standard deviations of 0.026 cm in the x- and y-dimensions and 0.020 cm in the z-dimension, which demonstrates high precision and repeatability in this metric. Radioactivity centroids are thus shown to successfully represent discrete motions on the submillimeter scale. It is also shown that while the radioactivity centroid can precisely indicate the amount of motion during an acquisition, it fails to distinguish what type of motion occurred.

Statistical considerations in the kinetic analysis of PET-FDG brain tumour studies

Dynamic positron emission tomography (PET) imaging can be used to track the distribution of injected radio-labelled molecules over time in vivo. This is a powerful technique, which provides researchers and clinicians the opportunity to study the status of healthy and pathological tissue by examining how it processes substances of interest. Widely used tracers include 18F-uorodeoxyglucose, an analog of glucose, which is used as the radiotracer in over ninety percent of PET scans. This radiotracer provides a way of quantifying the distribution of glucose utilisation in vivo. The interpretation of PET time-course data is complicated because the measured signal is a combination of vascular delivery and tissue retention effects. If the arterial time-course is known, the tissue time-course can typically be expressed in terms of a linear convolution between the arterial time-course and the tissue residue function. As the residue represents the amount of tracer remaining in the tissue, this can be thought of as a survival function; these functions been examined in great detail by the statistics community. Kinetic analysis of PET data is concerned with estimation of the residue and associated functionals such as ow, ux and volume of distribution. This thesis presents a Markov chain formulation of blood tissue exchange and explores how this relates to established compartmental forms. A nonparametric approach to the estimation of the residue is examined and the improvement in this model relative to compartmental model is evaluated using simulations and cross-validation techniques. The reference distribution of the test statistics, generated in comparing the models, is also studied. We explore these models further with simulated studies and an FDG-PET dataset from subjects with gliomas, which has previously been analysed with compartmental modelling. We also consider the performance of a recently proposed mixture modelling technique in this study.

Multiple training interventions significantly improve reproducibility of PET/CT-based lung cancer radiotherapy target volume delineation using an IAEA study protocol

BACKGROUND AND PURPOSE: To assess the impact of a standardized delineation protocol and training interventions on PET/CT-based target volume delineation (TVD) in NSCLC in a multicenter setting.

MATERIAL AND METHODS: Over a one-year period, 11 pairs, comprised each of a radiation oncologist and nuclear medicine physician with limited experience in PET/CT-based TVD for NSCLC from nine different countries took part in a training program through an International Atomic Energy Agency (IAEA) study (NCT02247713). Teams delineated gross tumor volume of the primary tumor, during and after training interventions, according to a provided delineation protocol. In-house developed software recorded the performed delineations, to allow visual inspection of strategies and to assess delineation accuracy.

RESULTS: Following the first training, overall concordance indices for 3 repetitive cases increased from 0.57±0.07 to 0.66±0.07. The overall mean surface distance between observer and expert contours decreased from -0.40±0.03 cm to -0.01±0.33 cm. After further training overall concordance indices for another 3 repetitive cases further increased from 0.64±0.06 to 0.80±0.05 (p=0.01). Mean surface distances decreased from -0.34±0.16 cm to -0.05±0.20 cm (p=0.01).

CONCLUSION: Multiple training interventions improve PET/CT-based TVD delineation accuracy in NSCLC and reduces interobserver variation.

Caracterizacao fisica e estudo das propriedades eletricas magneticas e termicas do supercondutor de alto Tc policristalino Ysub1Basub2Cusub3Osub7-3

Dissertacao (Mestrado)