SISTEMA E MÉTODO DE TOMOGRAFIA POR EMISSÃO DE POSITRÕES COM DOIS EIXOS DE ROTAÇÃO

Domínio técnico

[0001] A presente descrição diz respeito à instrumentação/imagiologia nuclear, em particular a um sistema de tomografia por emissão de positrões, PET, que produz imagens de um sujeito contendo isótopos radioativos emissores de positrões, mais em particular um sistema PET que pode ter apenas dois módulos detetores ou dois anéis parciais de detetores rodando em torno do objeto do PET, de forma a cobrir um campo de visão semelhante ao de um anel completo de detetores.

Antecedentes

[0002] A tomografia por emissão de positrões (PET - Positron Emission Tomography) é uma modalidade poderosa de imagiologia médica, capaz de fornecer informação funcional detalhada de processos fisiológicos no interior do corpo, que tem tido um grande impacto em Oncologia devido à sua capacidade de deteção de doença, estadiamento, avaliação de resposta a terapia e identificação de doença recorrente [1]. O princípio subjacente aos sistemas PET é a deteção de radiação gama emitida a partir de uma substância radioativa administrada no corpo humano.

[0003] Essa substância contém radioisótopos de átomos existentes em moléculas biológicas e, como tal, tem afinidade por determinados processos metabólicos ou bioquímicos, permitindo estudar a função de determinado órgão ou avaliar a presença de doença, revelada pela concentração excessiva dessa substância em locais específicos do corpo. Por exemplo, a 18F-FDG (glucose marcada com radioisótopo de Flúor) é captada preferencialmente por células cancerígenas, pois estas têm uma taxa de metabolização da glucose superior à das células normais. As moléculas usadas em PET encontram-se marcadas com radioisótopos emissores de positrões, que depois de aniquilados com eletrões atómicos, emitem dois fotões com energia de 511 keV, na mesma direção mas com sentidos opostos.

[0004] Os sistemas PET detetam e determinam a origem espacial destes pares de fotões, pela interseção das várias linhas de resposta geradas pela sua emissão. Embora a 18-F-FDG seja de longe a molécula traçadora mais usada em PET, novos traçadores estão a ser desenvolvidos para diagnóstico de cancro, deteção de hipoxia e angiogénese, prevendo-se uma expansão do papel desta modalidade na melhoria do diagnóstico clínico.

[0005] Uma contribuição fundamental para o desenvolvimento de novos radiofármacos tem sido dada por sistemas PET de pequena dimensão, que permitem realizar estudos pré-clínicos de imagiologia molecular em pequenos animais como ratinhos. Estes sistemas usam um grande número de detetores, normalmente dispostos em forma de anel e constituídos por cristais cintiladores com área de secção individual de poucos mm2.

[0006] Uma vez que as dimensões físicas dos órgãos de pequenos animais são da ordem dos mm, os sistemas PET de pequena dimensão requerem uma resolução espacial muito melhor do que os sistemas PET humanos. Enquanto que a resolução espacial de sistemas PET humanos atuais é da ordem dos 4-6 mm FWHM, os sistemas para pequenos animais têm como alvo uma resolução sub-milimétrica.

[0007] O principal fator que degrada a resolução espacial dos sistemas PET de pequeno diâmetro tem a ver com a penetração oblíqua dos fotões de 511 keV nos cristais cintiladores, que resulta num erro de paralaxe e consequente incerteza no posicionamento das linhas de resposta, que é tanto maior quanto mais afastada do centro do campo de visão estiver a fonte de positrões. [0008] Para minimizar esse erro de paralaxe têm sido desenvolvidos diferentes métodos para determinação da profundidade de interação (Dol - Depth of Interaction) dos fotões de 511 keV nos cristais cintiladores, métodos esses que implicam maior complexidade e custo dos sistemas PET.

[0009] No sentido de construir sistemas de PET mais simples com caráter didático ou protótipos para demonstração de novos conceitos de PET, desenvolveram-se sistemas com apenas dois módulos detetores ou anéis parciais de detetores rodando em torno de um eixo de rotação central, de forma a cobrir um campo de visão semelhante ao de um anel completo de detetores.

[0010] O documento [2] divulga um sistema PET didático de pequena dimensão, denominado MiniPET, com dois módulos detetores, cada um constituído por uma matriz de 4x4 cristais cintiladores acoplados a um tubo fotomultiplicador (PMT) de 16 canais. Pela ação de motores, os módulos podem mover-se ao longo de uma circunferência de raio variável em que, para além da configuração face-a-face com os detetores diametralmente opostos a moverem-se em conjunto, um dos módulos pode rodar +/- 90 graus permitindo adquirir linhas de resposta afastadas do centro de rotação.

[0011] O documento [3] divulga um sistema utilizado para demonstrar um novo conceito de PET com aplicação em imagiologia PET de alta resolução e sensibilidade, denominado AX-PET. Neste protótipo de demonstração são utilizados dois módulos detetores, em que um deles se mantém fixo e o outro pode rodar +/- 20 graus em torno de um eixo central adquirindo linhas de resposta não só a cruzar o centro mas também a periferia do campo de visão. Para obter linhas de resposta a toda a volta do campo de visão, os objetos são colocados num suporte que realiza uma rotação de até 360 graus. O conjunto dos dois varrimentos independentes, do suporte rotativo e de um dos módulos detetores, permite simular um anel com 18 módulos.

[0012] Os movimentos de rotação dos sistemas existentes realizam-se no entanto sempre em torno do mesmo eixo central. Em consequência, estes sistemas continuam a sofrer degradação da resolução espacial em zonas periféricas do campo de visão devido ao erro de paralaxe, ainda que esta seja minimizada por métodos de correção por determinação da Dol (e.g., AX-PET).

[0013] Através de um sistema de PET e respetivo método de aquisição com dois eixos de rotação, a presente invenção visa reduzir ainda mais o número de detetores necessários à obtenção de uma imagem de PET, ao mesmo tempo que elimina o erro de paralaxe e a necessidade de determinação da Dol.

[0014] Estes factos são descritos de forma a ilustrar o problema técnico resolvido pelas realizações do presente documento.

[0015] Referências

[1] A. Alavi, J. W. Kung, H. Zhuang, Implications of PET based molecular imaging on the current and future practice of medicine. Seminars in Nuclear Medicine 56- 69 2004

[2] R. Pedro et al., The MiniPET: a didactic PET system, Journal of Instrumentation 8 C03005 2013

[3] E. Bolle et al., AX-PET: A novel PET concept with G-APD readout, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 695 129-134 2012

Sumário

[0016] A presente descrição diz respeito à instrumentação/imagiologia nuclear, em particular a um sistema de tomografia por emissão de positrões, PET, que produz imagens de sujeitos contendo isótopos radioativos emissores de positrões, mais em particular um sistema PET que pode ter apenas dois módulos detetores ou dois anéis parciais de detetores rodando em torno do objeto do PET, de forma a cobrir um campo de visão semelhante ao de um anel completo de detetores.

[0017] Um sujeito de tomografia por emissão de positrões, PET, inclui objetos inanimados e seres vivos, nomeadamente animais e seres humanos, ou suas partes. [0018] Os movimentos de rotação dos sistemas existentes realizam-se no entanto sempre em torno do mesmo eixo central. Em consequência, estes sistemas continuam a sofrer degradação da resolução espacial em zonas periféricas do campo de visão devido ao erro de paralaxe, ainda que esta seja minimizada por métodos de correção por determinação da Dol (e.g., AX-PET).

[0019] Através de um sistema de PET e respetivo método de aquisição com dois eixos de rotação, as realizações da presente divulgação visam reduzir ainda mais o número de detetores necessários à obtenção de uma imagem de PET, ao mesmo tempo que eliminam o erro de paralaxe e a necessidade de determinação da Dol.

[0020] É, portanto, um dos objetivos da presente descrição a obtenção de imagens tomográficas PET a duas ou três dimensões, utilizando um ou mais pares solidários de detetores que se movimentam em conjunto e executam dois tipos de varrimentos independentes, em torno de dois eixos de rotação, de forma a cobrir um campo de visão cilíndrico entre os detetores, definido pela amplitude de um dos varrimentos. Os pares de detetores mantêm-se colineares e sempre alinhados durante todos os varrimentos, eliminando efeitos de aberração devido a penetração oblíqua dos fotões de 511 keV nos cristais cintiladores.

[0021] Descreve-se um sistema de tomografia por emissão de positrões, caracterizado por compreender:

dois eixos de rotação, em que o primeiro eixo é fixo e o segundo eixo é móvel dentro de circunferência definida pelo primeiro eixo e está acoplado mecanicamente a uma placa de suporte;

um ou vários pares de cristais cintiladores fixos à placa de suporte, cada par colinear e alinhado ao longo do mesmo eixo longitudinal;

um fotomultiplicador acoplado a cada cristal cintilador;

uma placa de suporte, fixa ao segundo eixo de rotação, com uma região livre entre o par (ou os pares) de cristais cintiladores, região essa onde são colocados os objetos dos quais se pretendem formar as imagens;

uma unidade de alimentação constituída por um ou mais conversores DC-DC para polarização de um ou mais pares de fotomultiplicadores; um sistema eletrónico de leitura dos sinais dos fotomultiplicadores constituído por circuitos de amplificação individuais e circuitos de deteção de coincidências entre fotomultiplicadores acoplados a cristais cintiladores de cada par;

uma unidade controladora constituída por um ou mais microcontroladores, para controlo do sistema e comunicação entre um computador e as restantes partes do sistema acima descritas.

[0022] Uma realização é caracterizada por ter o primeiro eixo de rotação centrado a meia distância entre os cristais cintiladores de cada par e o segundo eixo de rotação paralelo e coincidente com a face frontal de um dos cristais cintiladores.

[0023] Uma realização é caracterizada por ter os cristais cintiladores acoplados aos fotomultiplicadores por meio de gel ou cimento ótico.

[0024] Uma realização é caracterizada por ter todas as faces de cada cristal cintilador exceto a face acoplada ao fotomultiplicador, revestidas com um material refletor ótico.

[0025] Uma realização é caracterizada por ter os pares de cristais cintiladores, fotomultiplicadores e respetiva unidade de alimentação e sistema eletrónico de leitura assentes e integrados na mesma placa de suporte.

[0026] Uma realização é caracterizada pela aquisição de linhas de resposta em diferentes posições angulares dos dois eixos de rotação.

[0027] Uma realização é caracterizada pela rotação alternada dos dois eixos, em que o primeiro eixo varre um ângulo de até 360 graus e, para cada posição do primeiro eixo, o segundo eixo varre um ângulo de até 180 graus que define o campo de visão do sistema.

[0028] Uma realização é caracterizada pela possível repetição da rotação alternada dos dois eixos e por um número predefinido de vezes.

[0029] Uma realização é caracterizada pela contagem do número de coincidências (linhas de resposta) em cada par de cristais cintiladores durante tempo predefinido de paragem em cada posição dos dois eixos. [0030] Uma realização é caracterizada pela comunicação da posição angular dos dois eixos e do número de coincidências em cada posição de paragem dos eixos, da unidade controladora para computador, onde a imagem é reconstruída em tempo real durante aquisição.

[0031] Descreve-se um sistema de tomografia por emissão de positrões para obter imagens de um sujeito, que compreende:

um primeiro eixo de rotação fixo;

um segundo eixo de rotação substancialmente paralelo ao primeiro eixo, em que o segundo eixo é rotacionável à volta do primeiro eixo a uma distância predefinida; um elemento de suporte acoplado rotacionavelmente ao segundo eixo;

um par de cintiladores fixos ao elemento de suporte, sendo o dito par colinear e alinhado ao longo de um mesmo eixo longitudinal;

dois fotomultiplicadores, cada um acoplado opticamente a um dos cintiladores; em que o elemento de suporte tem uma região livre entre o par de cintiladores para receber o sujeito do qual se pretende obter imagens.

[0032] Numa realização, o elemento de suporte é uma placa.

[0033] Numa realização, o primeiro eixo está fixo ao mesmo referencial do sujeito do qual se pretende obter imagens.

[0034] Numa realização, o segundo eixo de rotação é paralelo com a face frontal de um dos cintiladores.

[0035] Numa realização, o segundo eixo de rotação é coincidente com a face frontal de um dos cintiladores.

[0036] Uma realização compreende um ou mais pares adicionais de cintiladores fixos ao elemento de suporte, sendo cada par colinear e alinhado ao longo de um mesmo eixo longitudinal, e respetivos fotomultiplicadores, cada um acoplado opticamente a um dos cintiladores. [0037] Uma realização compreende uma unidade de alimentação constituída por um ou mais conversores DC-DC para polarização de um ou mais pares de fotomultiplicadores.

[0038] Uma realização compreende um sistema eletrónico de leitura dos sinais dos fotomultiplicadores que compreende circuitos de amplificação individuais e circuitos de deteção de coincidências entre fotomultiplicadores acoplados a cintiladores.

[0039] Uma realização compreende uma unidade controladora que compreende um ou mais microcontroladores para controlo do sistema e comunicação entre um computador e as restantes partes do sistema.

[0040] Numa realização, o primeiro eixo está posicionado no centro do sistema.

[0041] Numa realização, o primeiro eixo está substancialmente coincidente com uma linha bissetora da distância entre cada um dos cintiladores do par de cintiladores.

[0042] Numa realização, a distância predefinida na qual o segundo eixo é rotacionável à volta do primeiro eixo é substancialmente igual a metade da distância entre cada um dos cintiladores do par de cintiladores.

[0043] Numa realização, os cintiladores estão acoplados aos fotomultiplicadores por gel ou cimento ótico.

[0044] Numa realização, todas as faces de cada cristal cintilador, exceto a face acoplada ao fotomultiplicador, estão revestidas com um material refletor ótico.

[0045] Numa realização, o par ou pares de cintiladores, fotomultiplicadores e respetiva unidade de alimentação e sistema eletrónico de leitura estão assentes e integrados na mesma placa de suporte.

[0046] Numa realização, os cintiladores são cristais cintiladores.

[0047] Descreve-se ainda um método de aquisição de imagens de um sujeito por tomografia por emissão de positrões utilizando um sistema de acordo com qualquer um das realizações descritas, que compreende adquirir linhas de resposta, ou seja coincidências de sinal entre fotomultiplicadores, em diferentes posições angulares de cada um dos dois eixos de rotação. [0048] Uma realização compreende rodar alternadamente os dois eixos, em que o primeiro eixo varre um ângulo de até 360 graus e, para cada posição do primeiro eixo, o segundo eixo varre um ângulo de até 180 graus, assim definindo um campo de visão do sistema.

[0049] Uma realização compreende repetir a rotação alternada dos dois eixos por um número predefinido de vezes.

[0050] Uma realização compreende contar o número de linhas de resposta, ou seja coincidências de sinal entre fotomultiplicadores, em cada par de cintiladores, para cada posição dos dois eixos de rotação.

[0051] Numa realização, as coincidências são entre cintiladores opostos do mesmo par ou de pares diferentes.

[0052] Uma realização compreende comunicar a posição angular de cada um dos dois eixos de rotação e o número de linhas de resposta, ou seja coincidências de sinal entre fotomultiplicadores, para cada posição dos dois eixos de rotação, a partir de uma unidade controladora para um computador, onde a imagem do sujeito é reconstruída, preferencialmente em tempo real durante a referida aquisição.

[0053] Numa realização, o sistema conta o número de linhas de resposta, ou seja coincidências de sinal entre fotomultiplicadores, durante um tempo predefinido de paragem para cada posição dos dois eixos de rotação.

[0054] Numa realização, o sistema conta o número de linhas de resposta, ou seja coincidências de sinal entre fotomultiplicadores, durante um movimento contínuo dos dois eixos de rotação.

[0055] Descreve-se ainda um meio não-transitório de armazenamento de dados compreendendo instruções de programação para implementar um sistema de aquisição de imagens de um sujeito por tomografia por emissão de positrões, sendo que as instruções de programação incluem instruções para executar o método de qualquer uma das realizações descritas. Breve descrição das figuras

[0056] Para uma mais fácil compreensão, juntam-se em anexo as figuras, as quais representam realizações preferenciais que não pretendem limitar o objecto da presente descrição.

[0057] Fig. 1: Representação esquemática de uma realização do sistema de PET, constituído por dois eixos de rotação associados a dois motores de passo, uma placa de suporte com uma região livre entre um ou mais (dois, neste caso) pares de cristais cintiladores alinhados, cada cristal acoplado a um fotomultiplicador.

[0058] Fig. 2: Representação esquemática de uma realização do método de aquisição de imagem de PET com dois eixos de rotação, em que um eixo é fixo e o outro eixo é móvel numa circunferência centrada no primeiro eixo, de forma a adquirir várias linhas de resposta cobrindo um campo de visão entre detetores.

Descrição detalhada

[0059] Uma realização do sistema, cujo esquema está representado na fig. 1, compreende:

dois eixos de rotação 1 e 2, associados a dois motores de passo ou servo-motores, em que o eixo 1 do primeiro motor é fixo, suporta e faz rodar o segundo motor, cujo eixo 2 por sua vez suporta e faz rodar uma placa de suporte 3;

uma placa de suporte 3, fixa ao eixo de rotação móvel 2, contendo um ou mais pares de detetores de cintilação alinhados e colineares, e apresentando uma região livre entre os pares de detetores onde são colocados os objetos dos quais se pretendem formar as imagens;

um ou mais pares de detetores de cintilação, cada detetor constituído por um cristal cintilador (4) acoplado oticamente a um fotomultiplicador 5; uma unidade de alimentação constituída por um ou mais conversores DC-DC 6 para polarização dos fotomultiplicadores 5;

um sistema eletrónico de leitura dos sinais dos detetores constituído por circuitos de amplificação 7 dos detetores individuais e circuitos de deteção de coincidências 8 entre os detetores de cada par, que pode estar integrado na placa de suporte 3; uma unidade controladora 9 constituída por um ou mais microcontroladores, para controlo do sistema e comunicação entre um computador e restantes partes do sistema acima descritas.

[0060] Uma realização diz também respeito ao método de aquisição de imagem de

PET, que consiste em:

aquisição de linhas de resposta em diferentes posições angulares de dois eixos de rotação 1 e 2, em que o eixo 1 é fixo e está centrado a meia distância entre os detetores de cada par e o eixo 2 é móvel dentro de circunferência definida pelo eixo 1 e está paralelo e coincidente com a face frontal de um dos cristais cintiladores, tal como ilustrado na fig. 2;

rotação alternada dos dois eixos 1 e 2, em que o eixo 1 varre um ângulo α de até 360 graus e, para cada posição angular do eixo 1, o eixo 2 varre um ângulo Θ de até 180 graus que define o campo de visão do sistema, tal como ilustrado na Fig. 2;

contagem do número de coincidências em cada par de detetores durante o tempo de paragem em cada posição dos dois eixos 1 e 2, em que cada coincidência corresponde à obtenção de sinais em simultâneo dos dois fotomultiplicadores 5 de cada par de detetores, com amplitudes acima de determinado valor X após passagem por circuito de amplificação 7 e durante uma janela de tempo de duração T, com X e T definidos pelo circuito de deteção de coincidências 8;

comunicação da posição angular dos dois eixos 1 e 2 e do número de coincidências (linhas de resposta) em cada posição, da unidade controladora 9 para o computador, onde imagem é reconstruída em tempo real durante aquisição.

[0061] A fig. 1 mostra uma realização do esquema do sistema de PET, constituído por dois eixos de rotação 1 e 2 associados a dois motores de passo, uma placa de suporte 3 com uma região livre entre um ou mais (dois, neste caso) pares de cristais cintiladores alinhados 4, cada cristal acoplado a um fotomultiplicador 5 com respetivo circuito de polarização 6, um sistema eletrónico de leitura dos sinais dos fotomultiplicadores, constituído por circuitos de amplificação individuais 7 e circuitos de deteção de coincidências entre cristais de cada par 8, e uma unidade controladora 9 que serve de interface de comunicação entre computador e diferentes partes do sistema.

[0062] A fig. 2 mostra o esquema de uma realização do método de aquisição de imagem de PET com dois eixos de rotação 1 e 2, em que o eixo 1 é fixo e o eixo 2 é móvel dentro de circunferência definida pelo eixo 1, α representa o ângulo varrido pelo eixo 1 e Θ representa o ângulo varrido pelo eixo 2 para cada posição angular do eixo 1. Os dois eixos são usados para movimentar um ou mais pares de cristais cintiladores 4 de forma a adquirir linhas de resposta cobrindo um campo de visão cilíndrico entre os detetores.

[0063] O termo "compreende" ou "compreendendo" quando utilizado neste documento destina-se a indicar a presença das características, elementos, inteiros, passos e componentes mencionados, mas não impede a presença ou a adição de uma ou mais outras características, elementos, inteiros, passos e componentes, ou grupos dos mesmos.

[0064] As realizações descritas são combináveis entre si.

[0065] A presente invenção não é, naturalmente, de modo algum restrita às realizações descritas neste documento e uma pessoa com conhecimentos médios da área poderá prever muitas possibilidades de modificação da mesma e de substituições de características técnicas por outras equivalentes, dependendo dos requisitos de cada situação, tal como definido nas reivindicações anexas.

[0066] As seguintes reivindicações definem adicionalmente realizações da divulgação.