ITTO20120721A1 - Fantoccio e procedimento per la verifica della taratura di scanner pet - Google Patents

Fantoccio e procedimento per la verifica della taratura di scanner pet Download PDF

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ITTO20120721A1
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phantom
spheres
pet
calibration
germanium
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Piergiorgio Cerello
Stephane Chauvie
Andrea Gallamini
Alexandru Stancu
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Dixit S R L
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Description

"Fantoccio e procedimento per la verifica della taratura di scanner PET "
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un fantoccio e ad un procedimento per la verifica della taratura di scanner PET (Positron Emission Tomography).
I trials clinici rivestono un ruolo essenziale nella medicina moderna poiché, prima di essere reso disponibile alla popolazione, ogni nuovo approccio terapeutico deve andare incontro ad un processo di valutazione dell’efficacia e della tolleranza da parte dei pazienti. Sempre più frequentemente, i protocolli dei trials prevedono l’uso delle tecnologie di medical imaging.
La tomografia ad emissione di positroni con fluoro-desossi-glucosio (FDG-PET) à ̈ una specifica tecnica di indagine diagnostica non invasiva basata sull’acquisizione di immagini del corpo di un paziente, attraverso l’utilizzo di un’apposita apparecchiatura (scanner PET), al fine di studiarne i processi metabolici tissutali. Tale tecnica di indagine ha un’ottima accuratezza diagnostica ed à ̈ utilizzata in particolar modo in oncologia per la stadiazione, ristadiazione e follow-up di numerose patologie oncologiche.
Le immagini PET permettono di descrivere la posizione e di valutare l’intensità dei processi metabolici all’interno dei tessuti.
Per questi motivi la FDG-PET à ̈ in grado di rilevare la persistenza di cellule tumorali vitali al momento della diagnosi, durante il trattamento e in caso di ricaduta del tumore, con un’accuratezza complessiva superiore rispetto alle classiche tecniche di imaging radiologico quali la tomografia computerizzata (CT) o la risonanza magnetica (MR).
In particolar modo, visualizzando precocemente durante la terapia i cambiamenti longitudinali nell’attività del fluoro-desossi-glucosio nel tumore, diventa possibile predire l’esito clinico più precocemente rispetto alle misurazioni anatomiche standard, ed eventualmente modificare la terapia.
L’intensità dell’attività metabolica à ̈ misurabile con lo scanner PET con un indice denominato SUV (Standardized Uptake Value).
Il SUV Ã ̈ definito dalla seguente espressione:
[
SUV= APET] •<bodyweight>(Ainj<•>exp(∆tres<τ −>Ares)<•>exp( ∆ t upt<τ>)
(1)
dove
APETà ̈ la concentrazione di radioattività nei
tessuti al tempo t di acquisizione delle immagini
PET (espressa in MBq/Kg) e viene misurata
direttamente in modo per sé noto dallo scanner PET;
Ainjà ̈ la dose di radiofarmaco (espressa in
MBq) iniettata al paziente e misurata al momento
dell’iniezione tramite un calibratore di attività
di per sé noto;
Aresà ̈ l’attività residua (espressa in MBq) che
rimane nella siringa dopo l’iniezione al paziente
ed à ̈ misurata tramite un calibratore di attività di per sé noto, dove Aresviene misurata al tempo tres
dopo l’iniezione al paziente;
tuptà ̈ il tempo che intercorre tra l’iniezione
al paziente e l’acquisizione dell’immagine PET;
Ï„ Ã ̈ la costante di decadimento del
radioisotopo somministrato al paziente e utilizzato
per effettuare la PET ed à ̈ determinato in maniera
analitica;
bodyweight à ̈ il peso del paziente espresso in
Kg e viene misurato con una bilancia pesapersone di
per sé nota.
Tutti i tempi sono misurati con orologi
standard.
Un primo passo per poter usare il SUV come parametro semi-quantitativo e confrontare valori di SUV provenienti dallo stesso paziente in momenti diversi (analisi longitudinale) o tra pazienti diversi (analisi trasversale) consiste nell’eseguire una taratura di tutti gli strumenti di misura che servono a misurare le quantità di cui alla formula precedente ed associare ad essi un errore.
Le procedure di taratura degli orologi, della bilancia pesapersone e del calibratore di attività sono di per sé note e si basano essenzialmente sulla misura, con ciascuno strumento da tarare, dei rispettivi parametri di oggetti di riferimento di cui tali parametri siano noti a priori in quanto precedentemente determinati da parte di rispettivi enti di taratura universali.
Le procedure per la verifica della taratura degli scanner PET sono invece molto più complesse e richiedono molto tempo, sia per la fase di acquisizione di dati sia per la fase di analisi degli stessi.
Tali procedure richiedono l’intervento di un operatore specializzato e questo porta spesso ad errori e/o imprecisioni.
In particolare, per eseguire tali tarature à ̈ necessario che l’operatore manipoli sostanze radioattive in forma non sigillata, con evidenti problemi legati alla radioprotezione dell’operatore stesso. Infatti, i fantocci noti utilizzati per la verifica della taratura degli scanner PET prevedono che sia l’operatore ad inserire opportunamente al loro interno le sostanze radioattive per eseguire la taratura dello scanner PET.
Scopo dell’invenzione à ̈ dunque quello di proporre un fantoccio e un procedimento per la verifica della taratura di scanner PET che consenta di eseguire una taratura in modo semplice, veloce ed efficiente, non dipendente dall’intervento manuale dell’operatore e che non lo esponga a rischi di contaminazione.
Questo ed altri scopi vengono raggiunti con un fantoccio per la verifica della taratura di scanner PET le cui caratteristiche sono definite nella rivendicazione 1, e con un procedimento per la verifica della taratura di scanner PET come definito nella rivendicazione 10.
Modi particolari di realizzazione formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto à ̈ da intendersi come parte integrale e integrante della presente descrizione.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione appariranno dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 Ã ̈ una vista in sezione trasversale completa di un fantoccio secondo la presente invenzione;
- la figura 2 Ã ̈ una vista in sezione trasversale di un dettaglio del fantoccio della figura 1;
- la figura 3 Ã ̈ una vista in sezione longitudinale di una porzione centrale del fantoccio secondo la presente invenzione;
- la figura 4 Ã ̈ una vista prospettica tridimensionale del fantoccio della presente invenzione; e
- la figura 5 Ã ̈ uno schema a blocchi dei passi del procedimento di verifica della taratura di scanner PET secondo la presente invenzione.
In sintesi, il fantoccio della presente invenzione comprende un corpo avente una forma di per sé nota e definita secondo gli standard internazionali e delle sorgenti radioattive sigillate, poste al suo interno, e composte da un gel al germanio non-rimovibile.
Il fantoccio della presente invenzione viene usato per realizzare il procedimento di verifica della taratura di scanner PET descritto in seguito.
Dopo che si à ̈ verificato che lo scanner PET à ̈ tarato, lo si può utilizzare per eseguire delle analisi PET di pazienti.
Per poter eseguire queste analisi, à ̈ necessario conoscere il peso (in kg) dei pazienti per applicare la formula (1) per il calcolo del SUV. E’ quindi conveniente che il peso venga determinato con una bilancia pesa-persone che sia tarata coerentemente rispetto al peso del fantoccio utilizzato per verificare la taratura dello scanner PET, onde evitare difformità nei parametri da inserire nell’equazione (1).
Per consentire un’omogeneità tra le operazioni di verifica della taratura dello scanner PET e le successive operazioni di analisi PET di pazienti, forma ulteriore oggetto dell’invenzione un kit per analisi PET comprendente un fantoccio come sopra definito e in seguito descritto in dettaglio, un orologio tarato (per la misura dei tempi da inserire nell’equazione (1) per il calcolo del SUV del paziente) e un oggetto di peso noto (da utilizzare per tarare la bilancia pesa-persone da usare per determinare il peso del paziente per il calcolo del SUV del paziente). Alternativamente, l’oggetto di peso noto non à ̈ presente ma si utilizza direttamente il fantoccio, di cui sia noto a priori il peso.
Nella figura 1 con 1 Ã ̈ indicata la sezione trasversale completa di un fantoccio secondo la presente invenzione.
Il fantoccio à ̈ preferibilmente fatto di plexiglass, in particolare polimetilmetacrilato, e comprende un corpo 2 sostanzialmente cilindrico avente vantaggiosamente un’altezza di almeno 180mm, una sezione trasversale 1 a profilo curvilineo convesso e un volume di 9,7l. La parete che definisce il corpo 2 à ̈ ad esempio spessa 3mm.
All’interno del corpo 2 si individua un centro 4 e si definiscono un primo asse trasversale 6a e un secondo asse trasversale 6b perpendicolare al primo asse 6a. Il centro 4 à ̈ posto sul primo asse trasversale 6a e dista dal secondo asse trasversale 6b di una distanza D1 predeterminata, ad esempio pari a 35mm.
Il primo asse trasversale 6a e il secondo asse trasversale 6b si intersecano in un punto di intersezione 8.
Il corpo 2 del fantoccio ha una predefinita dimensione interna D2, definita come la distanza tra il punto di intersezione 8 e la parete interna superiore del corpo 2 (dove il termine “superiore†fa riferimento alla disposizione della sezione trasversale 1 come mostrata in figura 1) lungo una direzione diagonale, che à ̈ preferibilmente pari a 147mm.
Il corpo 2 ha una predefinita dimensione esterna D3, definita come la lunghezza del primo asse trasversale 6a più lo spessore della parete del corpo 2, che à ̈ preferibilmente pari a 230mm.
Il secondo asse trasversale 6b dista dalla parete interna inferiore del corpo 2 di una distanza D4 predeterminata, ad esempio pari a 77mm.
Sul secondo asse trasversale 6b sono definiti due fuochi 10a e 10b che distano dal primo asse trasversale 6a rispettivamente di una distanza D5’ e D5’’ predeterminate, ad esempio pari a 70mm.
I due fuochi 10a e 10b distano rispettivamente dalla parete interna inferiore del corpo 2, lungo una direzione diagonale, di una distanza D6 predeterminata, ad esempio pari a 77mm.
In figura 2 Ã ̈ mostrata una vista in sezione trasversale di un dettaglio del fantoccio della figura 1.
Il fantoccio comprende, all’interno del corpo 2, una pluralità di sfere riempibili 12, ad esempio cinque, aventi preferibilmente rispettivi diametri interni pari a 10mm, 13mm, 17mm, 28mm e 37mm, e uno spessore delle pareti pari o inferiore a 1mm. Vantaggiosamente, le sfere sono disposte lungo una circonferenza 14 avente un diametro predeterminato, ad esempio pari a 114,4mm.
Le sfere 12 sono preferibilmente fatte di polimetilmetacrilato o alternativamente di vetro.
Il fantoccio comprende inoltre una sfera di riferimento 13 avente preferibilmente un diametro interno pari a 22mm ed essendo collegata al fantoccio stesso in modo di per sé noto in modo tale da poter essere facilmente rimossa e riposizionata nella stessa posizione di partenza, per essere utilizzata come sorgente di riferimento in un comune calibratore di attività.
In figura 3 Ã ̈ mostrata una vista in sezione longitudinale di una porzione centrale del fantoccio secondo la presente invenzione in cui sono mostrate due delle sfere 12.
Le sfere 12 vengono inserite nel fantoccio aprendo un coperchio (mounting plate) 20 posto in corrispondenza della superficie superiore.
I centri delle sfere 12 sono allineati lungo un terzo asse trasversale 18 posto ad una distanza predeterminata D7, ad esempio pari a 70mm, rispetto al coperchio 20 in modo che le sfere 12 si trovino assialmente sulla stessa linea trasversale.
Il posizionamento trasversale delle sfere deve essere tale che i centri delle sfere siano posizionati ad una distanza predeterminata, ad esempio 5,72cm, dal centro 4 del fantoccio.
In figura 4 à ̈ mostrata una vista prospettica tridimensionale del fantoccio della presente invenzione in cui gli elementi già descritti con riferimento alle figure precedenti sono indicati con gli stessi numeri di riferimento.
Il corpo 2 del fantoccio viene riempito con una matrice solida di germanio 68.
In particolare, le sfere 12 sono riempite con una matrice solida di germanio 68 avente una concentrazione di attività Asferedella matrice solida di germanio 68 quattro volte maggiore rispetto alla zona del corpo 2 circondante dette sfere 12, variando da 42,4kBq/ml a 10,6kBq/ml con una variabilità del 3%. L’intervallo di concentrazione di attività Afantocciodella zona circondante le sfere 12 può variare da 10,6kBq/ml a 2,65kBq/ml con una variabilità del 3%.
La sfera di riferimento 13 viene riempita con una concentrazione di attività uguale a quella delle sfere 12, e l’intervallo di concentrazione di attività Asfera_riferimentodi tale sfera di riferimento 13 può variare da 42,4kBq/ml a 10,5kBq/ml con una variabilità del 3%.
Verrà ora descritto, con riferimento alla figura 4, un procedimento di verifica della taratura di scanner PET secondo la presente invenzione.
Il Richiedente ha dapprima verificato che uno scanner PET Ã ̈ tarato se il SUV che esso misura (utilizzando un fantoccio del tipo sopra descritto e un orologio e un oggetto di peso noto come sopra indicato) ha un errore associato inferiore o uguale ad una predeterminata percentuale, in particolare il 3%.
Successivamente, il Richiedente ha ideato la seguente formula per il calcolo della propagazione dell’errore del SUV:
dove i pedici sono gli stessi precedentemente utilizzati nella formula (1).
Infine, il Richiedente ha verificato sperimentalmente quali sono le percentuali di errore, qui sotto riportate, che devono essere associate ai vari termini dell’equazione (2) in modo tale per cui l’errore totale nella determinazione del SUV risulti inferiore alla predeterminata percentuale sopra indicata.
Le percentuali di errore dei termini dell’equazione (2) sono preferibilmente:
APET= 3%;
Ainj= 3%;
Ares= 3%
tupt, tres< 10s
bodyweight = ± 0,2kg
Il procedimento di verifica della taratura di scanner PET secondo la presente invenzione comprende un primo passo 100 di posizionamento del fantoccio sopra descritto in uno scanner PET.
Il fantoccio viene allineato, in modo per sé noto, in modo tale che il piano che passa per i centri delle sfere 12 sia coplanare con la porzione centrale dello scanner nella direzione assiale e che il primo asse trasversale 6a e il secondo asse trasversale 6b corrispondano al sistema di riferimento interno dello scanner sul piano transassiale, entro una distanza predeterminata, ad esempio 3mm.
Alternativamente, la centratura si può effettuare in modo per sé noto, se lo scanner PET à ̈ dotato di laser tarati, utilizzando linee presenti sul fantoccio che ricalcano rispettivamente il primo, secondo e terzo asse trasversale 6a, 6b e 18.
Successivamente, al passo 102 si esegue una fase di acquisizione dati grezzi sotto forma di sinogrammi attraverso l’esecuzione di un esame di per sé noto di PET-CT del fantoccio. L’acquisizione viene ripetuta tre volte con tre differenti tempi di acquisizione, preferibilmente 1x(mFD), 1.5x(mFD) e 5x(mFD), dove mFD à ̈ la durata del frame minimo.
La durata del frame minimo (mFD) si calcola nel seguente modo:
.
(3)
dove tstdequivale a 2 minuti per scanner PET con acquisizione 3D e 3 minuti per scanner PET con acquisizione 3D e Afantoccioà ̈ la concentrazione di attività nel fantoccio al momento dell’acquisizione delle immagini PET dello stesso.
A questo punto, al passo 104 si ricostruiscono i sinogrammi ottenuti dalla scansione del fantoccio usando algoritmi iterativi, vendor-dependent, di per sé noti e applicando ai dati acquisiti tutte le correzioni disponibili, inclusa la correzione di attenuazione basata su CT.
I sinogrammi devono essere ricostruiti usando i parametri standard raccomandati dai costruttori di scanner per PET-CT per formare immagini PET.
Le immagini PET vengono, al passo 106, elaborate in modo per sé noto ricavando i valori di alcuni dei parametri da utilizzare (ad esempio APET), secondo l’equazione (1), per calcolare il SUV del fantoccio (SUVfantoccio). I valori degli altri parametri mancanti per completare il calcolo dell’equazione (1), ad esempio il peso del fantoccio, Ainj, Ares, etc. sono noti a priori dalla realizzazione del fantoccio stesso.
Il SUV viene calcolato per una regione di interesse (ROI) circolare di diametro predefinito, ad esempio 37mm, posta nell’area circostante le sfere 12 ad una distanza predeterminata, ad esempio 1,5cm, da tutte le sfere 12 e dalla parete del fantoccio.
Se il valore di SUVfantoccioà ̈ compreso in un predeterminato intervallo, ad esempio tra 0.97 e 1.03 (intervallo del 3% attorno al valore 1), lo scanner PET si intende tarato.
A questo punto, terminato il procedimento di verifica della taratura dello scanner PET, Ã ̈ possibile utilizzare detto scanner per eseguire analisi PET di pazienti.
Il fine delle analisi PET dei pazienti, come sopra detto, à ̈ quello di calcolarne il SUV secondo l’equazione (1). Per effettuare tale calcolo à ̈ necessario tarare la bilancia pesa-persone, come descritto all’inizio, dopo l’elenco delle figure, e disporre di un orologio anch’esso tarato.
Rimane da verificare la taratura del calibratore di attività da utilizzare per calcolare alcuni dei parametri da utilizzare nell’equazione (1).
Per fare questo, viene estratta la sfera di riferimento 13 dal fantoccio e viene misurata con il calibratore di attività in modo da verificare la taratura del calibratore stesso. Infatti, l’intervallo di concentrazione di attività Asfera_riferimentodella sfera di riferimento 13 à ̈ noto a priori (poiché la sfera di riferimento 3 à ̈ stata riempita con una con una matrice solida di germanio 68 come sopra indicato) e inoltre la concentrazione effettiva della sfera di riferimento 13 viene certificata da un ente specifico.
In questo modo, si potrà utilizzare il calibratore per misurare le grandezze di cui alla formula (1), essendo sicuri che i valori forniti e utilizzati per il calcolo del SUV sono coerenti con i parametri del fantoccio utilizzato per verificare lo scanner PET.
Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto à ̈ stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (12)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Fantoccio per la verifica della taratura di scanner PET comprendente: - un corpo (2) sostanzialmente cilindrico avente una sezione trasversale a profilo curvilineo convesso; - una pluralità di sfere (12) poste all’interno di detto corpo (2); il fantoccio essendo caratterizzato dal fatto che le sfere (12) sono riempite con una matrice solida di germanio 68.
  2. 2. Fantoccio secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre una sfera di riferimento (13) riempita con una matrice solida di germanio 68, detta sfera di riferimento (13) essendo collegata al fantoccio in modo tale da poter essere rimossa e riposizionata nella stessa posizione.
  3. 3. Fantoccio secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui le sfere (12) sono disposte lungo una circonferenza interna (14) avente un diametro predeterminato; le sfere (12) sono posizionate trasversalmente all’interno del corpo (2) in modo tale che i centri di dette sfere (12) siano allineati lungo un asse trasversale (18) del corpo (2); il fantoccio avendo un centro (4) e un coperchio (20) tali per cui i centri delle sfere (12) sono posizionati a rispettive distanze predeterminate da detti centro (4) e coperchio (20).
  4. 4. Fantoccio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le sfere (12) e la sfera di riferimento (13) sono riempite con una matrice solida di germanio 68 avente una concentrazione di attività (Asfere) quattro volte maggiore rispetto alla zona del corpo (2) circondante dette sfere (12).
  5. 5. Fantoccio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le sfere (12) sono cinque.
  6. 6. Fantoccio secondo la rivendicazione 5, in cui dette sfere (12) hanno rispettivi diametri interni pari a 10mm, 13mm, 17mm, 28mm e 37mm.
  7. 7. Fantoccio secondo la rivendicazione 1, in cui le sfere (12) sono fatte di polimetilmetacrilato o di vetro.
  8. 8. Fantoccio secondo la rivendicazione 2, in cui la sfera di riferimento (13) ha un diametro pari a 22mm.
  9. 9. Fantoccio secondo la rivendicazione 4, in cui le sfere (12) e la sfera di riferimento (13) sono riempite con una matrice solida di germanio 68 avente una concentrazione di attività (Asfere) compresa nell’intervallo 42,4-10,6kBq/ml.
  10. 10. Procedimento per la verifica della taratura di uno scanner PET comprendente le operazioni di: - posizionare (100) un fantoccio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti nello scanner PET; - acquisire (102) sinogrammi attraverso l’esecuzione di un esame di PET-CT del fantoccio tramite lo scanner PET; - ricostruire (104) i sinogrammi derivanti dalla scansione del fantoccio ottenendo immagini PET; - elaborare (106) dette immagini PET in modo da calcolare uno Standardized Uptake Value del fantoccio (Suvfantoccio); - verificare che il valore di detto Standardized Uptake Value (SUVfantoccio) sia compreso in un intervallo predeterminato attorno al valore 1.
  11. 11. Procedimento secondo la rivendicazione 10, in cui lo Standardized Uptake value viene calcolato per una regione di interesse (ROI) circolare di diametro predefinito, posta nell’area circostante le sfere (12) ad una distanza predeterminata da tutte le sfere (12) e dalla parete del fantoccio.
  12. 12. Kit per analisi PET comprendente un fantoccio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9, un orologio tarato e un oggetto di peso predeterminato.
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