Conception d'un système sans reconstruction pour l'imagerie par émission de positrons directe, de la génération d'image à la correction d'atténuation
Introduction
Il y a cent ans, Hevesy a proposé pour la première fois l’utilisation de traceurs radioactifs comme biomarqueurs pour les plantes et cela a été validé par la suite dans des expériences sur des rats. Cette découverte a stimulé le développement de la médecine nucléaire et de l’imagerie moléculaire dans le domaine biomédical, rendant possible la visualisation quantitative des processus biologiques à l’échelle moléculaire. Parmi les nombreuses techniques d’imagerie, la tomographie par émission monophotonique (SPECT) et la tomographie par émission de positrons (PET) se distinguent par leur capacité à quantifier les fonctions biologiques et les métabolismes en marquant des composés spécifiques. Au cours du développement de ces technologies, la fusion avec la tomodensitométrie (CT) à rayons X ou l’imagerie par résonance magnétique (IRM) pour obtenir des informations anatomiques a davantage amélioré la précision des diagnostics et des corrections de données.
Cependant, une grande limitation des systèmes actuels réside dans le temps de calcul et la propagation du bruit lors du processus de reconstruction d’image. Par conséquent, ces dernières années, les chercheurs ont commencé à explorer des méthodes d’imagerie moléculaire de nouvelle génération n’utilisant pas de reconstruction mathématique, comme l’imagerie directe par émission de positrons (DPEI). La DPEI utilise des détecteurs ultra-rapides de temps de vol (TOF) pour localiser directement la source du signal en détectant les différences de rayons gamma de 511 keV. Cette technique est largement appréciée pour ses économies d’espace et ses caractéristiques géométriques flexibles. Afin d’améliorer davantage l’applicabilité clinique des systèmes DPEI, cette étude introduit une nouvelle méthode d’imagerie sans reconstruction, appelée imagerie directe µCompton, visant à réaliser une imagerie sans reconstruction de la génération d’image à la correction d’atténuation.
Source de Recherche
Cet article a été rédigé par Yuya Onishi, Fumio Hashimoto, Kibo Ote, Ryosuke Ota et d’autres scientifiques, et publié dans le numéro de mai 2024 du journal IEEE Transactions on Medical Imaging. Le travail de recherche a principalement été réalisé par le laboratoire central de Hamamatsu Photonics K.K. au Japon.
Processus de Recherche
Algorithme d’Imagerie Directe µCompton
L’imagerie directe µCompton est une méthode qui génère des rayons gamma radioactifs à partir d’une source externe de positrons et utilise des détecteurs ultra-rapides TOF pour localiser directement les événements de diffusion Compton. Le processus principal comprend la génération de collisions de positrons et la mesure du temps et de la position d’arrivée des rayons gamma au détecteur, en utilisant ces données pour localiser les événements de diffusion Compton par résolution mathématique.
Dans cette recherche, la position de diffusion Compton est déterminée par la méthode de Newton, en utilisant les interactions des rayons gamma avec le détecteur pour enregistrer les informations de position xyz et de temps. Basé sur les relations géométriques dérivées des formules, via les facteurs de correction géométrique par événement comme la formule de Klein-Nishina, l’image µCompton avec des informations anatomiques est finalement générée.
Algorithme d’Imagerie Directe par Emission de Positrons
La DPEI n’a pas besoin de collimateur. Utilisant la même géométrie des détecteurs TOF pour générer des images tridimensionnelles, il suffit de registrer la position xyz et le temps de chaque photon gamma dans le détecteur, puis de résoudre mathématiquement la position des événements d’annihilation.
Correction d’Atténuation
Pour corriger l’atténuation des rayons γ dans les images DPEI, les chercheurs ont utilisé l’image µCompton. Tout d’abord, l’image µCompton est convertie en une distribution des coefficients d’atténuation tridimensionnelle (µmap), puis un facteur de correction d’atténuation (ACF) est calculé, générant finalement des images DPEI corrigées pour l’atténuation.
Configuration Expérimentale
La faisabilité du système d’imagerie entièrement sans reconstruction est évaluée par des simulations Monte Carlo. Le détecteur utilise un unique cristal de oxyde de bismuth-germanate (BGO), de dimensions 200×200 mm² et d’épaisseur 5 mm. Les matériaux virtuels utilisés dans la simulation comprennent : l’air, l’eau et les os. Une source de positrons est uniformément injectée dans un échantillon d’eau, suivi de plusieurs simulations pour évaluer les performances de l’imagerie µCompton et DPEI. De plus, des simulations expérimentales avec des échantillons cérébraux sont incluses pour se rapprocher des conditions cliniques.
Analyse des Données
L’intensité de l’image obtenue par imagerie µCompton directe reflète la probabilité de diffusion Compton, qui est donc en relation linéaire avec le coefficient d’atténuation. Les expériences incluent une analyse de divers paramètres pour différents éléments et tissus, et les résultats montrent que l’image µCompton peut être convertie en une distribution linéaire de coefficients d’atténuation, et après correction géométrique, les images peuvent distinguer des matériaux de densités différentes.
Les images DPEI, corrigées à l’aide des images µCompton, voient leur précision quantitative grandement améliorée. L’évaluation des images DPEI et µCompton fusionnées dans différentes conditions de détection montre que la combinaison des deux peut obtenir à la fois des informations fonctionnelles et anatomiques, améliorant ainsi la praticabilité et la précision diagnostique des images.
Résultats de Recherche
Les expériences montrent que les images obtenues par imagerie µCompton directe peuvent être fusionnées avec les images DPEI, permettant ainsi de capter simultanément des informations fonctionnelles et anatomiques, augmentant la précision diagnostique des examens cliniques en médecine nucléaire. De plus, l’utilisation des images µCompton pour la correction d’atténuation améliore significativement la précision quantitative des images DPEI.
Dans les expériences avec échantillons cérébraux simulés, les images DPEI sans correction d’atténuation montrent une réduction significative des signaux dans la région centrale, tandis que les images corrigées à l’aide des images µCompton reviennent aux valeurs quantitatives attendues, montrant un contraste de 4:1 entre la matière grise et la matière blanche.
Conclusion de Recherche
Cet article démontre la faisabilité du système complet d’imagerie sans reconstruction, de la génération d’image à la correction d’atténuation, en développant l’imagerie µCompton directe. Les simulations Monte Carlo montrent que l’utilisation de ce système d’imagerie multimodale permet d’obtenir des images combinées fonctionnelles et anatomiques, et que la correction d’atténuation avec des images µCompton améliore significativement la précision quantitative des images DPEI. La réalisation de ce système d’imagerie sans reconstruction offre de nouvelles perspectives et applications pour l’imagerie moléculaire, fournissant un support technique crucial pour le développement futur de la médecine nucléaire et de l’imagerie moléculaire.
Points Forts de la Recherche
- Innovation: La méthode d’imagerie µCompton directe proposée est pionnière dans le domaine de l’imagerie sans reconstruction, capable de générer directement des informations anatomiques.
- Praticabilité: Le système d’imagerie fusionné améliore non seulement la précision quantitative des images, mais permet également de capter simultanément des informations fonctionnelles et anatomiques, augmentant ainsi le potentiel d’application clinique.
- Percée Technique: Utilisant des détecteurs TOF ultra-rapides et des techniques d’apprentissage profond avancées, cette recherche montre un énorme potentiel d’application et un espace de développement dans la technologie de l’imagerie nucléaire médicale.