Progetto ADIMA
finanziato dalla FILAS Lazio POR FESR Lazio 2007/2013 asse I Attività I.1 prot Filas
RS – 2009 - 1249 CUP F87I10000740007
LA NUOVA FRONTIERA
DELL’IMAGING ADATTIVO
Tecniche computazionali innovative
per lo sviluppo di strumentazioni
basate su imaging adattivo
1
2
3
Progressi dell’imaging medicale
•
Potenziamento dell’hardware – Sistemi multimodali
•
Imaging adattivo – Sistemi diagnostici interattivi
•
Multimodale/adattivo – Due sistemi a confronto
Scopo di ADIMA
•
Imaging SPET tradizionale – Principi di base
•
Che cos’è ADIMA – Ideazione di un sistema SPET adattivo
•
Ricostruzioni 3D – I vantaggi rispetto al sistema tradizionale
•
Rivelatore ADIMA_SPET – La fase sperimentale
Campi di applicazione
1
Progressi
dell’imaging medicale
Potenziamento dell’hardware
Sistemi multimodali
•
Nel corso degli ultimi anni stanno emergendo nell’ambito
dell’imaging medicale nuovi sistemi multimodali, nati dall’esigenza
di fondere informazioni anatomiche con informazioni funzionali
per predire in modo più accurato la natura di lesioni sospette.
•
Dispositivi sviluppati industrialmente:
SPET/CT – PET/CT – MNR/CT – MRI/PET
•
Esempio di sistema duale, mammoscintigrafia*
Immagine RX
* Courtesy of Virginia University (USA)
Immagine SPE
Doppia modalità
L’imaging adattivo
Sistemi diagnostici interattivi
•
Il sistema adattivo utilizza i dati di uno o più sistemi per realizzare
un’immagine esplorativa (scout) utilizzata per modificare i parametri di
acquisizione di quelle successive (modifica dell’hardware).
•
nel sistema adattivo le immagini non arrivano direttamente e
indipendentemente all’osservatore (medico), ma interagiscono tra loro
allo scopo di modificare le caratteristiche di acquisizione sulla base di
uno specifico compito clinico definito dall’osservatore. Un esempio: una
TC che fornisce dinamicamente la mappa dei coefficienti di attenuazione
del corpo del paziente durante un esame SPET cardiaco, allo scopo di
migliorare la ricostruzione dell’immagine del cuore.
Sistema di acquisizione in simbiosi dove i dati di un sistema
sono utilizzati a beneficio dell’altro e viceversa
Multimodale/adattivo
Due sistemi a confronto
La distinzione tra i due sistemi di imaging nasce da come sono utilizzati i dati:
Nel multimodale le immagini arrivano
indipendentemente all’osservatore
per essere integrate.
Nell’adattivo avviene un cambiamento
dinamico dell’hardware in funzione
dello specifico compito clinico.
Clarkson et all.: Task-Based Approach to Adaptive and Multimodality Imaging Proceedings of the IEEE Vol.96,No.3, March 2008
Esempi
Tecniche monomodali che modificano l’hardware
per “adattarsi” al compito clinico
Ecografia: modifica della frequenza della sonda allo scopo di variare
la profondità di visualizzazione e il potere risolutivo dell’apparecchio.
CT: Modifica della tensione/corrente in funzione della profondità
dell’organo in esame e della risoluzione necessaria.
SPET in tecnica multipinhole: modifica del campo di vista
per migliorare la risoluzione spaziale dell’organo.
MRI: cambio delle sequenze di acquisizione per migliorare
l’immagine di uno specifico tessuto.
2
Scopo
di ADIMA
•
Il progetto ADIMA, ha lo scopo di proporre una nuova modalità
di imaging adattivo in Medicina Nucleare
•
Utilizza un nuovo sistema di collimazione in grado di selezionare
il migliore angolo di visione per uno specifico organo o tessuto
Imaging SPET* tradizionale
*
Principi di base
Tecnica di imaging nucleare,
basata sulla rivelazione di fotoni,
emessi da un radiotracciante
iniettato al paziente (il tracciante più
comunemente utilizzato è il Tc99m).
135°
90°
180°
45°
L’acquisizione si effettua mediante
rotazione della gamma camera
intorno al paziente, acquisendo
ad ogni angolazione un’immagine
planare (proiezione) attraverso
le quali si ottiene la ricostruzione
tomografica 3D della distribuzione
del radiofarmaco.
* Single Photon Emission Tomography
SPET
tradizionale
0°
La distanza con il soggetto
è fissa, il dispositivo
ruota intorno al paziente;
la camera punta sempre
al centro di rotazione.
ADIMA
consente una modalità di ricostruzione
tomografica innovativa, basata su una
nuova concezione di collimazione
ad angoli variabili, destinata
a cambiare la modalità
di acquisizione in SPET.
Che cos’è ADIMA
Ideazione di un sistema SPET adattivo
Collimatore
a fori esagonali
con angolazione gestita
da motori passo-passo
variable da -45° a +45°
dimensioni
foro di collimazione
1.5 mm Ø, 25 mm altezza
0.2 mm setto
La distanza collimatore/ sorgente
è adattabile all’anatomia del soggetto.
Può rivelare informazioni
anche da sorgenti di bassa captazione.
+45°
brevetto KSI-Sapienza –Inventore Roberto Pani
COLLIMATORE INCLINABILE, IN PARTICOLARE PER
TOMOGRAFIA A EMISSIONE DI FOTONE SINGOLO
RM2012A000485 del 11/10/2012
0°
- 45°
I vantaggi di ADIMA
•
•
•
•
Il sistema di rivelazione è localizzato in posizione fissa, alla minima
distanza dal paziente, a vantaggio della risoluzione spaziale e della
rivelazione di piccole lesioni.
Di principio questa tecnica non pone limiti al numero di angoli che si
possono acquisire e al grado massimo dell’angolo che può essere
raggiunto.
Permette una selezione angolare di tipo adattivo in ragione della migliore
visione della lesione.
Si basa su una tecnica di ricostruzione ad angoli parziali opportunamente
selezionabili, è possibile definire dei protocolli di acquisizione di
immagini che “pesino” di più alcuni angoli rispetto ad altri.
Ricostruzioni 3D
Nella SPET, la gamma camera ruota intorno al paziente
e acquisisce una proiezione ad ogni angolo, misurando
la radiazione che arriva in direzione perpendicolare.
La ricostruzione avviene a partire dal
Sinogramma: è la matrice in cui sono raccolte
le proiezioni di una singola sezione.
La retroproiezione consente di ottenere le immagini
relative alla distribuzione dell'attività dell'oggetto
partendo dalle proiezioni acquisite e retroproiettando
verso il centro del sistema di rotazione i profili dei conteggi acquisiti
distribuendoli uniformemente su tutti i pixel del piano x, y.
SINOGRAMMA
ARTEFATTI A STELLA
ANGOLI PARZIALI
Il procedimento è ripetuto per ogni angolo, ottenendo un
rafforzamento dei conteggi in corrispondenza delle strutture
dell’oggetto originale; Il numero degli artefatti è inversamente
proporzionale al numero delle proiezioni.
Si può procedere con ricostruzioni tradizionali, oppure
con ricostruzioni ad angoli parziali per angoli minori di 180°.
Physics
In Nuclear Medicine
by M.E. Phelps
Ricostruzioni 3D
Simple Back-projection con collimatore ADIMA
1 - Sorgente lesione di diametro 2.5 mm
Immagini acquisite 12 proiezioni:
da -45° a -30°
e da 30°a 45° con step di 3°
Artefatti
dovuti al numero limitato
di proiezioni
2 - Sorgente lesione di diametro 2.5 mm
Immagini acquisite 31 proiezioni:
da -45° a +45° con step di 3°
La selezione in angoli permette
una migliore identificazione
dell’oggetto in z e migliora
il contrasto di immagine
Piano yz
Rivelatore ADIMA_SPET
La fase sperimentale
Caratteristiche gamma camera
•
Area attiva 10 x 10 cm2
•
•
•
Cristallo planare di scintillazione di NaI: Tl
2x2 array di fotorivelatori tipo MA-PMT Hamamatsu H8500C
Sistema elettronico di lettura dei segnali a 256 canali indipendenti
Risoluzione Spaziale intrinseca
@ 0° ~ 1 mm
Risoluzione energetica
@ 140 keV ~ 10%
Ricostruzione SPET
Tomografia SPET tradizionale
Il Fantoccio
Cilindro con base di diametro
7.5 cm ed altezza 10 cm
(simula il tessuto sano).
Sfere da 5 e 10 mm
(simulano le lesioni tumorali)
10 cm
Immagini ricostruite sui piani delle lesioni
1 - coronale
2 - sagittale (lesione: 10 mm)
3 - sagittale (lesione: 5 mm)
3D ADIMA/SPET
Ricostruzioni tomografiche assiali a confronto
Ricostruzione ad angolo variabile
Ricostruzione tomografica tradizionale
- Collimatore fisso (ADIMA)
- 31 proiezioni
- Angoli parziali da -45° a +45°
- Passo angolare 3°
- Collimatore in rotazione
- 36 proiezioni
- 0° - 360°
- Passo angolare 10°
Il collimatore ADIMA è localizzato in posizione fissa
alla minima distanza dalle lesioni (4,75 cm).
È visibile la lesione da 5 mm.
La deformazione dell’immagine
è limitata alla sola sezione assiale.
Nella SPET tradizionale la distanza dalle lesioni
è fissata dal raggio di rotazione (min 15 cm).
Non è visibile la lesione da 5 mm.
3D ADIMA/SPET
Ricostruzioni tomografiche coronali a confronto
SPET
La modalità tradizionale ad angolo totale
produce un’informazione modesta su le
sezioni di entrambi gli assi (mancanza di
informazioni su tumori di piccole dimensioni).
7.5 cm
ADIMA
10 cm
ADIMA
Ottima qualità delle immagini
delle sezioni lungo l’asse coronale.
7.5 cm
Anger
SPET
tradizionale
10 cm
ADIMA
migliora la qualità delle immagini
3D ADIMA/SPET
su 12 proiezioni delle singole lesioni
lesione di diametro 5 mm
Risoluzione spaziale
ricostruita sui piani della sorgente
Asse minore 6 mm
Asse maggiore 11 mm
8 cm
1 - Sorgente
20 cm
Piano xz
lesione di diametro 10 mm
Risoluzione spaziale
ricostruita sui piani della sorgente
Asse minore 10 mm
Asse maggiore 16 mm
8 cm
2 - Sorgente
20 cm
In ADIMA la selezione
degli angoli migliora la ricostruzione assiale
Piano xz
ADIMA Risultati Sperimentali
Immagineangolare
3D
Effetto della selezione
1 - Immagine planare a 0°
Risoluzione spaziale 5 mm
mm
Traslazione dell’immagine
a seguito della selezione
angolare del collimatore
2 - Immagine planare a 30°
Risoluzione spaziale 6 mm
traslazione 25 mm
25 mm
mm
3 - Immagine planare a 40°
Risoluzione spaziale 8 mm
traslazione 50 mm
mm
Sorgente capillare di Tc99m
Capillare posto a 20mm
di profondità dal collimatore
Dimensione originale del capillare
3 cm lunghezza
300 m Ø
mm
mm
50 mm
mm
ADIMA Risultati Sperimentali
Le potenzialità di digitalizzazione
delle immagini di ADIMA
sono molto elevate;
nasce il problema della scelta
del livello di digitalizzazione
Immagine planare a
1 mm di digitalizzazione
Risoluzione spaziale 5.0 mm
mm
Immagini planari a diversa digitalizzazione
Sorgente capillare di Tc99m
Capillare posto a 20mm
di profondità dal collimatore
Dimensione originale del capillare
3 cm lunghezza
300 m Ø
Immagine planare a
0.2 mm di digitalizzazione
Risoluzione spaziale 3.0 mm
mm
mm
L’immagine del capillare
coinvolge due file di fori
del collimatore
mm
ADIMA 3D
Immagine coronale ricostruita
sul piano xy della sorgente
Risoluzione spaziale
in direzione x = 6 mm
mm
Sorgente capillare di
Capillare posto a 20mm
di profondità dal collimatore
Dimensione originale del capillare
3 cm lunghezza
300 m Ø
y
Immagine assiale ricostruita
sul piano yz della sorgente
Risoluzione spaziale
in direzione z = 11 mm
Posizione in Z
ricostruita 22 mm
mm
x
mm
mm
Yy
z
Z
mm
Tc99m
3
Campi di applicazione
• Nuova modalità Tomografica ad angoli parziali in Medicina Nucleare,
in Single Photon Emission (SPE). L’elevata risoluzione spaziale consente
un miglioramento della qualità diagnostica dell’immagine.
• Studio di lesioni poste a piccole profondità (max 5 cm), per applicazioni
su cervello e/o piccoli organi (ad esempio tiroide o mammella).
• Imaging multimodale attraverso l’integrazione con apparati ecografici,
risonanza magnetica, Tomografia computerizzata.
• Implementazione di piani di trattamento in radioterapia metabolica
(Voxel dosimetry) con integrazioni e con tecniche SPET tradizionali e TC.
Impaginazione e grafica a cura di Aldo Federico Moro
