PET/RM aspectos técnicos

PET/RM aspectos técnicos
Rafael Puchal
Radiofísico
Barcelona
Esquema:
PET – Bases físicas y aspectos técnicos
RM – Bases físicas y aspectos técnicos
PET/RM- Aspectos técnicos y algunas soluciones
PET: detección de 2 fotones de 511 keV en coincidencia
Detección por detectores de centelleo
Aniquilación de e+
Wikipedia, Siemens
Anillo de detectores
PET
Hardware necesario
Detectores rápidos
1) Cristal de centelleo optimizado para 511 keV:
Detección: Alta densidad
Decaimiento rápido
Producción de fotones elevada
2) Conversores /detectores rápidos
LSO,LYSO
Phys.Med.Biol. 60(2015) R115-154
RM
RM: Es una modalidad de imagen que utiliza técnicas de radiofrecuencia para obtener
la distribución y propiedades de los tejidos según la presencia y forma molecular de los
núcleos de hidrógeno que forman parte de su composición.
Condiciones para obtener una imagen:
Momento magnético resultante de los núcleos de hidrógeno ha de ser significativamente
distinto de 0 ↔ que exista suficiente hidrógeno para generar una señal.
Aire, hueso cortical no generan imagen por falta de H.
IRM
RM no informa directamente de la densidad electrónica que es la causante de la
atenuación de la radiación electromagnética en PET (511 keV).
CT
Los núcleos de hidrógeno tienen un momento magnético orientado
aleatoriamente.
Dentro de un campo magnético externo (B0), los momentos
magnéticos de los núcleos se orientan según la dirección del
campo
B0
y precesionan con una frecuencia
proporcional a la intensidad del campo
magnético (ley de Larmor).
Si en estas condiciones enviamos energía en forma de un pulso de radiofrecuencia
(E=h·f) con la misma frecuencia que la de precesión (entrar en resonancia) y durante
un breve tiempo se altera la posición de equilibrio.
Al cesar la excitación (relajación nuclear) se vuelve al estado estable devolviendo la
energía según el tipo de tejido del que forman parte y de la intensidad del campo
detectándose como otra emisión de radiofrecuencia mediante una antena.
Para obtener esta información no basta con un pulso, sino que es preciso enviar
repetidamente una secuencia de pulsos (spín-echo, secuencias rápidas,…) elegida
según el parámetro que se desee obtener (T1,T2,…)
Localización:
Se basa en que la frecuencia de la energía emitida depende del campo magnético,
Si al campo se le superpone un campo magnético variable con la posición
(gradiente de campo) la frecuencia dependerá de la posición.
Bobinas de gradiente
magnético
+
=
Distinta posición genera distinta frecuencia → localización
RNM
“Hardware” de la RNM
Bobina magnética de campo fijo
Bobinas para gradiente magnético
Bobina emisora de RF
Bobinas receptoras
Bobina emisora de RF
Bobinas para gradiente magnético
Bobina magnética de campo fijo
Moser et al. Eur. J Nucl Med Imaging (2009) 36 )supl):s30-s41
PET+RNM
• Pros RNM vs. CT
– Mejor contraste entre tejidos blandos
– Reducción importante de la irradiación
– Información funcional
• Contras
– Corrección atenuación aproximada
– Incremento del tiempo de exploración
– Interacciones mútuas PET-RNM
PET+RNM
Interacciones mútuas
•
•
RNM  PET
– campo magnético + radiofrecuencia
• Alteración de la producción de luz en cristal de centelleo
• Alteración efecto multiplicador de los fotomultiplicadores
• Interfieren por RF (120 MHz a 3T) sobre la electrónica
• Conmutación gradientes (1 kHz) –corrientes de Foucault, vibraciones
PET  RNM
– Inhomogeneidades en el campo magnéticoartefactos
– Alteración de la linealidad de los gradientes→error coordenadas
– Emisión señales de la electrónica interferencias en recepción RF y
gradientes
– Cables alimentación generan ruido electrónico
PET/RM
Dos soluciones:
Adquisición secuencial con dos equipos distintos:
Mayor tiempo de exploración (PET+RM)
Mayor espacio
Posibles errores de registro entre modalidades
Poca modificación de los equipos-(PET/CT)
Adquisición simultánea en un mismo equipo: Menor tiempo (≈RM)
Menor espacio
Rediseño total del PET
Desarrollo de detectores compatibles B,Rf
Ligeras modificaciones de RM (bobinas, camilla)
Corrección de la atenuación no resuelta
PET+RNM
Adquisición secuencial
Falta de simultaneidad de las adquisiciones
Blindajes y separación entre equipos-espacio extra
PET+RNM
Zang et al. Int J. Imaging Systems & Technology (2007),17,p.252
PET+RNM
Adquisición secuencial
RNM
PET
GEMINI TF PET/MR:
• PET inline with MR-System
• Whole Body Support
• Uncompromised imaging performance
Philips
• PET: Gemini-TF
MR: 3T Achieva XR
Modificaciones sobre equipo estándar : PET/MR - Mechanical shielding
Individual PMT Shield
Placement
GEMINI TF PET/MR Crystal Module
GEMINI TF PET/MR
cathode rotated to align
with MR flux lines
GEMINI TF PET/CT Crystal Module
• Magnetic MU metal shielding of individual
PMT’s
• PMT orientation in clocked / rotated
orientation to improved shielding of cathode
from magnetic field
• Modular shielded construction in gantry
• Laminated transforming steel cover on PET
gantry MR face
• Z-axis distance control to reduce magnetic
impact
GEMINI TF PET/MR Gantry with
laminated steel shield
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GE: Tri modality
PET/CT
RM
Adquisición simultánea
Detectores mixtos:
Cristales internos + convertidores externos (microPET)
Cristales internos + convertidores internos (microPET)
Detectores internos :
Módulo PET insertable en RM
PET integrado en RM
Detectores PET totalmente internos
Módulo PET dentro del equipo
de RM
Rediseño total del detector PET
Poco espacio para paciente
Phys.Med.Biol. 60 (2015) R115-154
PET+RNM
PET integrado en RM
PET+RNM
Cuerpo entero
+ Siemens
Siemens Biograph mMR
GE
Sigma
SiPMs
“LBS”
SiPMs
“LBS”
PET+RNM
APD: Fotodiodo en avalancha (Geiger): Convertidores semiconductores de fotones
a impulsos eléctricos.
Respuesta 0-1. Queda “inoperante”. No proporcionalidad entre
numero de fotones e impulsos .
SiPM : APDs acoplados en red sobre una base de silicio de manera que sus señales se suman.
La señal es ≈ proporcional al número de fotones detectados que, a su vez, es proporcional
a la energía depositada en el cristal de centelleo (PMT)
SiPM≈100-1000 celdas (APDs) /mm2
Señal: Suma de todas las celdas activadas
MR compatible PET detector and spatial resolution
Photomultiplier tubes (PMT)
•
Widely used in PET/CT
systems, cannot be used in
MR
Avalanche Photodiodes (APD)
•
Works in MR, but has
performance limitations
Photomultiplier
Tube (PMT)
Enables TurboTOF
PET/MR
Silicon
Photomultipliers
(SiPM)
LBS Crystal
Dimensions
4.2x6.3x25mm
4x4x20mm
4x5.3x25mm
Transaxial
Spatial
Resolution
4.9
4.4
4.1
100mm
2mm
2mm
No
Yes
Yes
Photon
Detection
Efficiency
25%
50%
50%
Gain
10⁶
10²
10⁵-10⁶
550ps
~2000ps
<400ps
Detector
Silicon photomultipliers (SiPM) Profile
• High sensitivity
MR
• Coupled with LBS crystals Compatibility
•
Avalanche
Photodiode
(APD)
Timing
Resolution
Based on EANM 2010 presentation by GE Healthcare
Corrección de la atenuación a partir de MR
Única ventaja respecto CT: simultaneidad
MR refleja la densidad de protones- no hay relación directa con “μs”
Las secuencias estándar generan muy poca señal en hueso y aireno se pueden diferenciar !
El campo de visión de PET es menor que el de RM → truncamiento de brazos
En el campo de visión, además del paciente hay objetos diversos que pueden
causar fuertes atenuaciones (p.e. cables)
UTE: Ultrashort Echo Time- + 3/5 min por bed
Tema pendiente
Phys.Med.Biol.60 (2015)
Conclusión: PET/RM está en desarrollo
Aporta y aportará mejoras substanciales al PET
Difícilmente se convertirá en prueba de rutina