Imaging techniques in RPC-PET

Abstract

Positron emission tomography based on resistive plate chambers (RPC-PET) has been proposed for both preclinical and clinical applications. We firstly present imaging results of needle-like and planar 22Na sources obtained with a prototype of a high-acceptance small-animal RPC-PET.

The two detector modules utilized in this experiment had an effective front face of 6.4 x 6.4 cm^2 and consisted of 5 gas gaps and 6 glass electrodes with a total thickness of 5 mm. The data included lines of response (LORs) inclined up to 58º, and the depth of interaction (DOI) was accurately measured, demonstrating the parallax-free property inherent to RPC-PET. The maximum likelihood expectation-maximization (MLEM) reconstruction of the acquired data yielded an excellent and stable resolution of 0.4 mm full width at half maximum (FWHM). Concurrently, we pursued studies of a suggested whole-body single-bed RPC-PET. It has been shown by simulation that RPC-PET with an axial field-of-view (AFOV) of 2.4 m is feasible and yields an absolute sensitivity at least one order of magnitude superior to that of typical crystal-based PET scanners. In addition, RPC-PET offers an important time-of-flight (TOF) advantage and provides a potentially very-high spatial resolution at the detector level.

In the second part of this work, a fully three-dimensional reconstruction algorithm capable of processing the very inclined LORs from large AFOV systems such as RPC-PET is demonstrated. It relies on the application of a TOF-based-kernel into the MLEM algorithm. With the 300 ps FWHM time resolution, already experimentally demonstrated, a rejection of 63% of the body-scattered events is obtained. We present reconstructed results from blind simulations corresponding to the anthropomorphic phantom, NCAT, with oncological lesions introduced into different locations within the human body. A comparison between 300 and 600 ps FWHM TOF reconstructed images is performed, with an increasing detectability being observed for a better TOF resolution. We finally compare issues related to image convergence speed. An alternative new approach, which consists in dividing the full-body data into nine different image regions that are reconstructed independently with graphical processing unit (GPU) assistance, provides a six times faster reconstruction compared with a GPU-based whole-body reconstruction. For a 300 ps FWHM RPC-PET scanner, this allows reaching a reconstructed image, that results from 1.6 x 10^10 annihilations within 7 minutes and upon injection of 2 mCi, just 4 minutes after the end of data acquisition. We conclude that RPC-PET is well oriented to compete with other commercial PET scanners in the global market.

A tomografia por emissão de positrões baseada em detectores do tipo câmaras de placas resistivas (RPC-PET) foi proposta para aplicação em ensaios com pequenos animais e na prática clínica. Neste trabalho, apresentamos primeiramente resultados experimentais obtidos a partir de um protótipo RPC-PET de alta aceitação para pequenos animais.

Foram obtidas imagens de fontes do radioisótopo 22Na, uma quase pontual e outra planar. Usámos dois módulos de detectores RPC com uma área activa de 6.4 x 6.4 cm^2 e uma espessura de 5 mm, constituída por 6 vidros empilhados e 5 espaços gasosos definidos entre eles. Os dados adquiridos incluíram linhas de coincidência (LORs) inclinadas até um ângulo de 58º, tornando essencial a medida precisa da profundidade de interacção. A identificação dos espaços gasosos onde ocorreram as avalanches permitiu demonstrar a ausência de erro de paralaxe nas medidas realizadas com o RPC-PET para pequenos animais. A partir da reconstrução dos dados processados com o algoritmo maximum likelihood expectation-maximization (MLEM), obtivemos uma resolução espacial com largura a meia altura (FWHM) de 0.4 mm, excelente e estável. Em paralelo, continuámos a estudar as potencialidades de um protótipo RPC-PET de corpo inteiro e cama única, orientado para pessoas. Já foi anteriormente demonstrado por simulação que um scanner RPC-PET com 2.4 m de campo de visão axial (AFOV) é viável e permitirá o aumento de sensibilidade de pelo menos uma ordem de grandeza em relação aos scanners PET com cristais. Duas outras virtudes do RPC-PET são a sua capacidade de medição do tempo de voo (TOF) dos fotões e a elevada resolução espacial ao nível do detector.

Na segunda parte deste trabalho apresentamos um algoritmo de reconstrução, totalmente tridimensional, capaz de processar LORs muito inclinadas em sistemas com um AFOV longo, como é o caso do RPC-PET. Este algoritmo acrescenta um kernel ao algoritmo MLEM, baseado na informação de TOF. Com uma resolução temporal de 300 ps FWHM, já experimentalmente comprovada, é possível rejeitar 63% dos eventos dispersados no corpo humano. Exibimos imagens reconstruídas obtidas a partir de simulações do fantoma antropomórfico, NCAT, com lesões oncológicas situadas em diferentes locais do corpo humano. A comparação entre imagens conseguidas com resoluções temporais de 300 ps e 600 ps FWHM, permite observar uma detectabilidade acrescida associada à melhor resolução de TOF. Por último, são estudados os tempos de convergência da reconstrução. Um método inovador e alternativo, que consiste na divisão dos dados do corpo humano em nove regiões e na reconstrução independente desses dados com recurso a unidades de processamento gráfico (GPUs), permite uma reconstrução seis vezes mais rápida do que a reconstrução de corpo inteiro também com o auxílio de GPUs. A partir de dados de 1.6 x 10^10 aniquilações ocorridas durante uma aquisição de 7 minutos e para uma actividade injectada de 2 mCi, um scanner RPC-PET com uma resolução temporal de 300 ps FWHM permitirá obter uma imagem reconstruída apenas 4 minutos após o fim da aquisição. Podemos assim concluir que o RPC-PET está bem colocado para competir no mercado dos scanners PET comerciais.