Evaluación del desempeño del sistema Philips Ingenuity TF128 PET/CT empleando la NEMA NU2-2012: Primera experiencia en Cuba.

1. Componente TEP del sistema Philips Ingenuity TF128 PET/CT

La componente PET del sistema Philips Ingenuity TF128 PET/CT contiene 28 336 cristales centellantes de ortosilicato de lutecio dopado con Itrio (LYSO) de 4x4x22 mm³ agrupados en 28 módulos de 23 x 44 elementos cada uno, que forman un total de 44 anillos detectores de 90 cm de diámetro. Los módulos de detectores están unidos a 420 tubos fotomultiplicadores hexagonales con un diseño PIXELAR y una guía de luz continua. El túnel del tomógrafo tiene un diámetro de 70 cm con un campo de visión (FOV: por sus siglas en inglés) transversal y axial de 67,6 cm y 18 cm respectivamente. La electrónica del sistema posee una ventana de coincidencia de 3,8 ns para el FOV estándar (en contraste con el modelo Ingenuity anterior que posee una de 4,5 ns) y una ventana energética de 440-665 keV. La detección se realiza por diferencia de TOF y los datos son adquiridos exclusivamente en modo lista 3D [4[4]. Philips Medical Systems (Cleveland), Inc. Ingenuity TF PET/CT User´s Manuals. Technical Manual. 459801099841 Rev.B Koninklijke: Philips N.V., 2016.].

En cuanto a las características tomográficas, poseen un método de reconstrucción por TOF basado en un algoritmo matemático de reconstrucción iterativa que propicia una mejor relación contraste/ruido y una resolución espacial más uniforme. El equipo cuenta con la opción de efectuar un algoritmo iterativo Richardson-Lucy de recuperación de la resolución empleando la función de dispersión puntual (PSF) característica del sistema de detección [5[5]. KOLTHAMMER, JA, SU KH, GROVER A, NARAYANAN M, JORDAN DW Y MUZIC RF. Performance evaluation of the Ingenuity TF PET/CT scanner with a focus on high count-rate conditions. Phys. Med. Biol. 2014; 59(14):3843-3859.]. En general este sistema PET/CT Ingenuity TF posee una rápida velocidad de reconstrucción debido a un potente sistema de procesamiento Intel, un software optimizado y metodologías avanzadas de programación.

2. Evaluación del desempeño de la componente PET del Sistema Philips Ingenuity TF128 PET/CT

Las mediciones se desarrollaron en dos días para lo cual se importó ¹⁸F. Las pruebas de desempeño efectuadas fueron: resolución energética; resolución temporal; resolución espacial transversal; resolución espacial axial; sensibilidad; pérdida de conteos y coincidencias aleatorias; error relativo de la tasa de conteos y calidad de imagen. Para la realización de dichas pruebas se tuvieron en cuenta los criterios de medida y los límites de aceptación propuestos por la NU12; así como la metodología del fabricante; a excepción de las mediciones de la resolución espacial, donde éste introdujo una variación relativa a la posición de la fuente respecto al eje del equipo [6[6]. Philips Medical Systems (Cleveland), Inc. Ingenuity TF PET/CT Performance Testing. Technical Manual. 459801099841 Rev.B. Koninklijke: Philips N.V., 2016], la cual fue evaluada en este estudio.

La NU12 introduce novedades respecto a sus versiones anteriores encaminadas a hacer las pruebas más fáciles de ejecutar, más reproducibles, más rápidas y más útiles en aplicaciones clínicas [3]. Se empleó todo el conjunto de maniquíes NEMA y fuentes de calibración necesarias para cada prueba. Se efectuaron las correcciones, calibraciones y chequeo previos pertinentes.

Se compararon los resultados de las mediciones del funcionamiento del sistema PET/CT modelo Ingenuity TF, instalado en el CEDT-CIMEQ empleando la NU12, con los obtenidos por Kolthammer, et. al. empleando la NEMA NU2-2007 para la versión anterior del mismo modelo [5[5]. KOLTHAMMER, JA, SU KH, GROVER A, NARAYANAN M, JORDAN DW Y MUZIC RF. Performance evaluation of the Ingenuity TF PET/CT scanner with a focus on high count-rate conditions. Phys. Med. Biol. 2014; 59(14):3843-3859.]. Estas comparaciones son posibles ya que no existen diferencias notables en cuanto a los valores obtenidos entre la nueva NU12 respecto a las versiones anteriores.

Con el fin de evaluar las ventajas de este nuevo modelo PET/CT Ingenuity TF con respecto a otros instalados en Cuba, se compararon los resultados de esta investigación con los obtenidos por González González, et. al. para su predecesor el modelo PET/CT Gemini TF que se encuentra instalado y en servicio desde el 2015 y es de una generación anterior [7[7]. GONZÁLEZ-GONZÁLEZ JJ, CALDERÓN-MARÍN CF, VARELA-CORONA C, MACHADO-TEJEDA A, GOZÁLEZ-CORREA HJ. Características de desempeño de la componente PET del tomógrafo PET/CT Gemini TF 64 instalado en el Instituto Nacional de Oncología y Radiobiología. Conf. IPET 2015. Viena, Austria. ].

3. Resolución energética y temporal

Las mediciones de estos parámetros no son incluidas en las normas NEMA para estos sistemas. Las resoluciones energética y temporal se midieron empleando una fuente puntual de ²²Na de 3,4 MBq fijada en un soporte específico proporcionado por el fabricante. La fuente se centró en el FOV. La adquisición y análisis de los datos se realizó utilizando el software del equipo.

4. Resolución espacial

Esta medición de la resolución espacial radial, transversal y axial se basó en la prueba de Resolución Espacial de la NU12 [3[3]. NEMA Standards Publication NU2-2012. Performance Measurement of Positron Emission Tomographs. Rosselyn VA: National Electrical Manufacturers Association, 2013.]. Se preparó una fuente puntual (capilar de cristal de no más de 1 mm de diámetro) de 1,8 a 3,7 MBq de ¹⁸F, la cual fue suspendida en aire empleando el soporte NEMA para esta medición. Para la medición de la resolución transversal el capilar con la fuente se colocó paralelo al eje axial del PET, tal como exige la NU12, sobre un soporte, en diez configuraciones de posiciones distintas. En el plano transversal la fuente se posicionó a 1 cm, 10 cm y 20 cm respecto al centro del FOV. Estas mediciones se efectuaron para dos posiciones axiales distintas: centro del FOV axial y a tres octavos del FOV axial [3[3]. NEMA Standards Publication NU2-2012. Performance Measurement of Positron Emission Tomographs. Rosselyn VA: National Electrical Manufacturers Association, 2013.].

Para la medición de la resolución espacial axial se empleó la misma configuración con excepción de una variación propuesta por el fabricante: el capilar se fijó al soporte utilizando un aditamento adicional, que posibilita el posicionamiento de la fuente ortogonal al eje axial del equipo, contrario a lo que se especifica en la NU12, en donde la fuente debe colocarse paralela al eje axial para todas las mediciones.

Todos los datos se reconstruyeron siguiendo las indicaciones del fabricante y para cada posición se analizaron los perfiles 1D en cada una de las tres direcciones ortogonales (axial, transversal radial y transversal tangencial). Se determinaron los anchos a la mitad y a un décimo de la altura (FWHM y FWTM respectivamente: por sus siglas en inglés) para cada posición y se promediaron para las dos locaciones axiales [3[3]. NEMA Standards Publication NU2-2012. Performance Measurement of Positron Emission Tomographs. Rosselyn VA: National Electrical Manufacturers Association, 2013.].

5. Sensibilidad

Esta medición se basó en la prueba de sensibilidad de la NU12 [3[3]. NEMA Standards Publication NU2-2012. Performance Measurement of Positron Emission Tomographs. Rosselyn VA: National Electrical Manufacturers Association, 2013.]. Se utilizó el maniquí de sensibilidad formado por cinco varillas huecas de aluminio de 700 mm de largo y 1,25 mm de espesor y con diferentes diámetros. Se preparó una fuente lineal rellenando 700 mm ± 20 mm de un tubo de plástico (800 mm de largo y 1 mm de diámetro interno) con una actividad de 7,10 MBq de ¹⁸F. Se adicionó y mezcló agua a la fuente hasta rellenar los 700 mm de los 800 mm de largo. La parte con la actividad se introdujo dentro del maniquí quedando cubierta completamente por las cinco varillas [3[3]. NEMA Standards Publication NU2-2012. Performance Measurement of Positron Emission Tomographs. Rosselyn VA: National Electrical Manufacturers Association, 2013.]. El sistema formado por maniquí, fuente y soporte fue centrado en el FOV usando los láseres y el software.

Siguiendo las indicaciones del fabricante para el software del equipo, se realizaron las adquisiciones: con las cinco varillas alrededor de la fuente, luego se quitó la más externa y se midió, y así sucesivamente hasta que quedó la más pequeña, para extrapolar los resultados a condiciones libres de dispersión. Se repitieron las mediciones con el sistema desplazado 10 cm verticalmente [3[3]. NEMA Standards Publication NU2-2012. Performance Measurement of Positron Emission Tomographs. Rosselyn VA: National Electrical Manufacturers Association, 2013.]. Se utilizó el software del equipo para analizar los datos. Las sensibilidades en el centro y a 10 cm del FOV fueron determinadas.

6. Fracción de dispersión (SF: por sus siglas en inglés), pérdida de conteos y medición de coincidencias aleatorias

Esta medición se basó en la prueba de Fracción de Dispersión, Pérdida de Conteos y Coincidencias Aleatorias de la NU12 [3[3]. NEMA Standards Publication NU2-2012. Performance Measurement of Positron Emission Tomographs. Rosselyn VA: National Electrical Manufacturers Association, 2013.]. Se utilizó un maniquí de dispersión consistente en un cilindro macizo de plástico (polietileno: $\rho =\mathrm{0,96}\pm \mathrm{0,01}\frac{g}{{cm}^8}$ ) de 700 mm de largo, con una cavidad cilíndrica descentrada paralela al eje axial. El maniquí se colocó en la camilla del paciente y se centró en el FOV (en las tres direcciones) utilizando los láseres como guía. Se preparó una fuente lineal relle-nando 70 cm ± 2 cm de un tubo de 80 cm de largo y 3,2 mm de diámetro interno, con una actividad de 780,7 MBq (21,1 mCi) de ¹⁸F.

Se insertó la fuente en el maniquí y se realizó la adquisición. Se efectuó paralelamente una adquisición con el CT para realizar la corrección de atenuación. Se utilizó el software del fabricante para adquirir y analizar los datos. Se estimaron las coincidencias aleatorias por el método de la ventana retardada.

El parámetro empleado para caracterizar el funcionamiento de las tasas de conteos del PET es la tasa de conteos equivalente al ruido (NECR: por sus siglas en inglés). La NECR es definida como la tasa de conteos equivalente, que provoca los mismos niveles de ruido estadísticos que la tasa de conteos observadas, luego de corregidas las coincidencias aleatorias y de dispersión [8[8]. CHERRY SR, SORENSON JA, PHELPS ME. Physics in Nuclear Medicine. 4. ed., Filadelfia: Elsevier, 2012. 492 pp.].

Se conformaron las curvas de todos los tipos de conteos en función de la concentración de actividad (NECR, aleatorios, dispersados, verdaderos). Se determinaron las SF, los picos de la curva NECR y el de coincidencias verdaderas.

7. Exactitud de las correcciones de pérdidas de conteos y coincidencias aleatorias

Esta medición se basó en la prueba de Exactitud: Corrección de las Pérdidas de Conteos y Coincidencias Aleatorias, de la NU12 [3[3]. NEMA Standards Publication NU2-2012. Performance Measurement of Positron Emission Tomographs. Rosselyn VA: National Electrical Manufacturers Association, 2013.]. Se utilizaron los datos obtenidos en la prueba de SF, pérdida de conteos y medición de coincidencias aleatorias. Se realizaron las correcciones de las pérdidas por tiempo muerto y coincidencias aleatorias de los datos crudos de esa prueba. Luego se reconstruyeron los datos utilizando parámetros comunes de la práctica clínica. Los valores de los errores relativos de la tasa de conteos fueron determinados con ayuda del software del equipo. El valor absoluto del máximo error relativo en el pico NECR se determinó y el resultado se comparó con el criterio de aceptación del fabricante y valores de la literatura.

8. Calidad de Imagen

Esta medición se basó en la prueba de Calidad de Imagen, Exactitud de la Correcciones de Atenuación y de Coincidencias por Dispersión de la NU12 [3[3]. NEMA Standards Publication NU2-2012. Performance Measurement of Positron Emission Tomographs. Rosselyn VA: National Electrical Manufacturers Association, 2013.]. Se empleó el maniquí de calidad de imagen consistente en una estructura rellenable, que simula un torso humano con una atenuación no uniforme, que dentro posee seis esferas pequeñas huecas rellenables de 10 mm, 13 mm, 17 mm, 22 mm, 28 mm y 37 mm de diámetro respectivamente, de no más de 1 mm de espesor; y un cilindro de 5 cm de diámetro externo relleno con un material de baja densidad, que simula el tejido de los pulmones $\rho =\mathrm{0,3}\pm \mathrm{0,1}\frac{g}{{cm}^8}$ ), insertado axialmente en el centro del maniquí. Se rellenó el maniquí con una proporción 4:1 de concentración de actividad en las esferas respecto al fondo (parte hueca rellena-ble del maniquí). Para esto se llenó un cuarto del volumen del maniquí con agua y se le agregó la solución de ¹⁸F con una actividad ~86,2 MBq (2,3 mCi). Con esa mezcla se llenaron las cuatro esferas más pequeñas (simulando lesiones hipercaptantes) y luego las grandes se llenaron de agua (simulando lesiones hipocaptantes). El maniquí de calidad de imagen fue colocado en la camilla siguiendo las indicaciones de la NU12 y justo detrás de este fue colocado un maniquí de dispersión. Al maniquí de dispersión se le insertó una fuente lineal de 30 cm de largo con una actividad ~148 MBq (4 mCi). Se realizó la adquisición del PET centrada en el plano de las esferas y se realizó la adquisición CT hasta obtener una corrección de atenuación apropiada. Se analizaron los datos obtenidos con el software del equipo siguiendo las indicaciones del fabricante, y se obtuvieron imágenes de dos vistas diferentes del maniquí de cuerpo. Se realizó una inspección visual de las imágenes adquiridas en busca de artefactos y otras degradaciones de la calidad de la imagen.

1. Resolución energética y temporal

Los valores de los FWHM para las resoluciones energética y temporal, determinadas con la fuente puntual de ²²Na, fueron 55,3 keV y 529 ps respectivamente.

2. Resolución espacial

Los valores de las resoluciones espaciales se muestran en la tabla 1. Se reportan los resultados obtenidos por el fabricante previo a la venta del equipo (25.05.2017) con el cual se compararon los obtenidos durante este estudio. También se incluyen los criterios de aceptación establecidos por el fabricante.

3. Sensibilidad

Los valores obtenidos de sensibilidad centrada (0 cm) y a 10 cm del centro del FOV fueron 8 404 cps/MBq y 8 126 cps/MBq respectivamente. En la figura 1, se muestra el perfil obtenido de sensibilidad por corte.

4. Fracción de dispersión (SF), pérdida de conteos y medición de coincidencias aleatorias

En la figura 2, se muestran las curvas obtenidas en las mediciones (NECR, aleatorios, dispersados, verdaderos) hasta el pico máximo de las tasas de conteos verdaderas que es cuando empiezan a influir las pérdidas por tiempo muerto. El valor de la tasa de conteos en el pico máximo NECR fue de 119,09 kcps y se alcanzó a una concentración de actividad de 20,65 kBq/mL. El valor del pico máximo de la curva de tasas de conteos verdaderos fue de 361,43 kcps y se alcanzó a una concentración de actividad de 31,78 kBq/mL. La SF fue de 35,2% en el pico NECR y estuvo en un intervalo entre 29,02% y 38,85%, que va desde bajas concentraciones de actividad hasta altas concentraciones donde las pérdidas por tiempo muerto comienzan.

5. Exactitud de las correcciones de pérdidas de conteos y coincidencias aleatorias

La exactitud de las correcciones por tiempo muerto y coincidencias aleatorias mostraron un error relativo máximo de 9,03% en el pico NECR.

6. Calidad de Imagen

Se obtuvieron cortes transversales y coronales de las imágenes reconstruidas. Se realizó un análisis cualitativo de la calidad de las imágenes.