Contribuciones a la reconstrucción de imagen en sistemas multimodalidad de alta resolución para aplicaciones preclínicas

Resumen

El creciente número de modelos animales de enfermedades humanas utilizadas en la investigación traslacional hace de la imagen de pequeños animales una herramienta esencial para evaluar las funciones biológicas, permitiendo nuevos tipos de estudios tales como el estudio de la expresión génica en ratones modificados genéticamente o el control de la respuesta del tumor a la terapia. Los últimos avances en instrumentación para imagen médica han permitido el diseño y desarrollo de sistemas de imagen molecular especialmente dedicados a la obtención de imágenes de alta calidad de pequeños animales de laboratorio, imposibles de conseguir con la instrumentación estándar diseñada para humanos. Además de los requisitos de mayor resolución, el uso de nuevas geometrías también puede dificultar la aplicación directa de algoritmos inicialmente desarrollados para sistemas clínicos. Esto plantea la necesidad de búsqueda de nuevos métodos más adecuados para los sistemas de pequeños animales. Esta tesis se ha realizado en el Laboratorio de Imagen Médica de la Unidad de Medicina y Cirugía Experimental, Hospital General Universitario Gregorio Marañón, como parte del programa de investigación en imágenes preclínicas. Los objetivos de este programa son diseñar, desarrollar y evaluar nuevos sistemas de adquisición de datos, procesamiento y reconstrucción de imágenes multimodales para aplicaciones en investigación biomédica. En ese contexto, esta tesis presenta contribuciones originales en relación con la tarea de reconstrucción de imagen y el estudio de las fuentes de error que limitan la calidad de las imágenes obtenidas con sistemas multimodalidad PET-CT, principalmente escáneres de alta resolución para la investigación con pequeños animales. El trabajo se divide en dos áreas principales: tomografía por emisión y tomografía de transmisión. En tomografía de emisión se presentan tres contribuciones principales. (1) Un estudio cuantitativo de los efectos, sobre la calidad de la imagen, de pequeños desalineamientos mecánicos en sistemas PET de detectores planos con cabezas rotatorias. A partir de la caracterización del problema, se ha propuesto un protocolo sencillo para la caracterización geométrica del sistema que genera un archivo de desalinemientos. Este archivo puede ser utilizado por el generador de sinogramas o por un método de reconstrucción desde el modo lista para corregir la posición de las líneas de respuesta. (2) Un nuevo esquema de filtrado, que hace uso de las propiedades de la transformada de Fourier del sinograma. Se ha comparado el funcionamiento de dicho esquema de filtrado con el de otros métodos previos: filtrado radial estándar, filtrado angular, y filtrado en el dominio Stackgram. El esquema de filtrado propuesto produjo resultados óptimos en resolución y contraste al compararlo con cualquiera de los otros filtros. (3) Una evaluación de la idoneidad de un método de escalado tri-lineal de las imágenes del CT para la corrección de atenuación de las imágenes de PET en áreas de hueso. A partir de experimentos utilizando simulaciones, maniquíes y datos clínicos, se han evaluado los errores introducidos en los valores estimados de captación de trazador en hueso cuando se utiliza la corrección de atenuación basada en CT. Los resultados mostraron una subestimación de los factores de corrección de atenuación derivada de CT que dio lugar a sesgos en los SUV de una magnitud por debajo de la repetibilidad de las propias medidas de SUV. En tomografía de transmisión se presentan tres contribuciones principales: (1) Un nuevo algoritmo para la reducción del artefacto de anillo en sistemas CT para pequeños animales basados en geometría de haz de rayos cónico y trayectoria circular. El método, que funciona en el dominio de la proyección, se ha aplicado y evaluado en un escáner real con resultados satisfactorios en estudios de roedores y maniquíes cilíndricos. (2) Un nuevo algoritmo de reconstrucción estadística para CT basado en la estadística de Poisson y un modelo físico que tiene en cuenta no linealidad de las medidas debido a la dependencia de la atenuación con la energía. A diferencia de los métodos propuestos anteriormente, el algoritmo elimina la necesidad de una pre-segmentación y no requiere conocimiento previo del espectro de rayos X. Los resultados de una simulación de datos de humano (maniquí NCAT) muestran una reducción del endurecimiento del haz similar a la obtenida con técnicas convencionales, con la ventaja de proporcionar una relación señal a ruido mucho mayor. (3) La investigación de métodos analíticos de reconstrucción sistemas CT para pequeños animales ha dado lugar a la propuesta de una nueva arquitectura completa para reconstrucción de alta calidad de los datos adquiridos en sistemas basados en geometría de haz de rayos cónico y trayectoria circular. La definición abarca todos los pasos desde la corrección de los desalineaminetos del detector, el endurecimiento del haz, y los artefactos de anillo, hasta el cálculo de las unidades Hounsfield, incluyendo una implementación eficiente de un nuevo algoritmo de reconstrucción basado en FDK que explota las simetrías del sistema y permite la reconstrucción en paralelo de diferentes partes del volumen en un PC con multiprocesador. Parte de los resultados presentados en esta tesis se ha incorporado en sistemas preclínicos de alta resolución fabricados por la compañía SEDECAL y comercializados en todo el mundo por General Electric Healthcare en virtud de acuerdos de transferencia de tecnología con la UMCE.