SPECT Imaging using Pinhole Collimation: System Design and Simulation Studies for Pre-Clinical and Clinical Imaging

Nuklearmedicinsk bildtagning med hjälp av radiofarmaka är ett viktigt verktyg för att studera biologiska processer och humansjukdomar. Bildtagning sker ofta med en detektor i kombination med en kollimator. En typ av kollimering är pinnhålskollimering, där ett pinnhål i ett opakt material placeras mellan en källa och en detektor. Pinnhålet fyller samma funktion som en optisk lins då emitterade fotoner måste passera genom hålet för att nå detektorn. Valet av pinnhålsparametrar, exempelvis material och storlek på öppningen, spelar stor roll för detektorsystemets slutgiltiga prestanda.
Pinnhålskollimering används även vid Single-photon emission computed tomography (SPECT). Denna metodik avser både bildtagning från flera vinklar och rekonstruktion av radiofarmakats tredimensionella fördelning. Pinnhålsbaserad SPECT används bland annat för att studera humansjukdomar i djurmodeller, så som råttor och möss. För detta är pinnhålskollimering ett utmärkt val då tekniken tillåter förstoring av små strukturer och därför kan avbilda aktivitetsfördelningar med hög upplösning.
I denna avhandling beskrivs utvecklingen av ett tomografiskt smådjurskamerasystem vid namn InSPECT. Artikel I beskriver mätningar och bestämningen av den rekonstruerade upplösningen för en prototypuppställning bestående av en videodetektor i kombination med ett pinnhål. I artikel II beskrivs byggandet av ett kamerasystem med åtta videodetektorer (ett pinnhål per detektor). Vi använde Roses metall för att tillverka ett centralstycke som både skärmar detektorerna och tillät montering av platinapinnhål. Fördelen med Roses metall är att den har hög densitet och atomnummer, låg smältpunkt och att de gjutna delarna kan bearbetas med hög precision. Materialet kan även användas för pinnhålskollimering. Fördelen är att Roses metall är billigt jämfört med exempelvis pinnhål av guld och platina, men bildkvalitén påverkas negativt av att en högre andel fotoner penetrerar och sprids i pinnhålsmaterialet. I artikel III presenteras en utvärdering av bildprestandan för pinnhål av Roses metall och en jämförelse med andra pinnhålsmaterial.
Ett sätt att simulera bildtagning med pinnhål är att använda Monte Carlo-program. Dessa program simulerar fotontransport och detektion för en given mätgeometri och detektor. Med Monte Carlo-simuleringar går det exempelvis att utvärdera dyra och tidskrävande förändringar i hårdvara istället för att bygga prototyper. Artikel IV avhandlar implementeringen av en halvledardetektormodell, baserad på halvledarmaterialet CZT, i Monte Carlo-programmet SIMIND. Modellens goda noggrannhet bekräftades genom jämförelser med mätt data. I artikel V används CZT-modellen för Monte Carlo-baserad rekonstruktion av data från ett kliniskt SPECT-system. De rekonstruerade bilderna är kvantitativa och behöver ej normeras med hjälp av en extern kalibrering. Artikel VI beskriver simuleringen av en dedikerad SPECT-kamera med 19 detektor-pinnhålenheter som används vid myokardscintigrafi. De dedikerade pinnhålssystemen har högre känslighet än konventionella system, vilket används för att korta undersökningstider och minska patientdoser. Ett annat alternativ, som också minskar känsligheten, är att minska storleken på pinnhålet vilket leder till bättre upplösning. Våra resultat visar att kontrast-till-brus-förhållandet inte gynnas av mindre pinnhål.