Αξιολόγηση και βελτιστοποίηση ιατρικών απεικονιστικών συστημάτων ποζιτρονιακής τομογραφίας με χρήση αλγόριθμων προσομοίωσης Monte Carlo
Authors: Καρακατσάνης Νικόλαος 
Published: August 2021

Η πυρηνική ιατρική απεικόνιση έχει τις τελευταίες δεκαετίες συμβάλλει καθοριστικά στην ανάπτυξη και εφαρμογή τεχνολογιών ιατρικής διάγνωσης και θεραπείας καρκινικών όγκων, όπως, επίσης, και στην πραγματοποίηση σημαντικών προκλινικών και κλινικών ερευνητικών μελετών για το βιοχημικό και μοριακό υπόβαθρο πολλών μορφών καρκίνου και των αντίστοιχων θεραπευτικών σχημάτων. Αποτελεί έναν διεπιστημονικό κλάδο που συνδυάζει αποτελεσματικά τις επιστήμες της πυρηνικής φυσικής, της ιατρικής, της πληροφορικής και του μηχανικού υπολογιστών για την ανάπτυξη συστημάτων υλικού και λογισμικού με στόχο την τρισδιάστατη ψηφιακή τομογραφική απεικόνιση της μεταβολικής δραστηριότητας των βιολογικών ιστών και των καρκινικών όγκων. Η τεχνολογία των απεικονιστικών συστημάτων πυρηνικής ιατρικής εξελίσσεται συνεχώς με τελικό κριτήριο τόσο την βελτίωση της ποιότητας και, επομένως, της διαγνωστικής αξίας της εξαγόμενης ιατρικής εικόνας όσο και την ελαχιστοποίηση του κόστους κατασκευής και λειτουργίας των συστημάτων και την βελτιστοποίηση των πρωτοκόλλων λήψης δεδομένων. Οι παραπάνω στόχοι είναι εξ’ ορισμού ανταγωνιστικοί και η εύρεση ενός σημείου ισορροπίας που θα επιτυγχάνει με την υφιστάμενη τεχνολογία τον καλύτερο συμβιβασμό μεταξύ τους αποτελεί και την βέλτιστη λύση. Για την υλοποίηση μιας ολοκληρωμένης μελέτης βελτιστοποίησης απεικονιστικών συστημάτων πυρηνικής ιατρικής απαιτείται πρώτον η ανάπτυξη συγκεκριμένης μεθοδολογίας αξιολόγησης καλώς ορισμένων παραμέτρων επίδοσης των συστημάτων και δεύτερον η δυνατότητα προσδιορισμού της ανεξάρτητης επίδρασης που ασκείται σε κάθε μια από αυτές τις παραμέτρους επίδοσης λόγω της μεταβολής συγκεκριμένων παραμέτρων, τόσο της σχεδίασης του ίδιου του συστήματος (π.χ. ενεργειακού παράθυρου, νεκρού χρόνου απόκρισης κτλ.), όσο και της διαδικασίας λήψης των δεδομένων (π.χ. χορηγούμενη δόση, χρόνος σάρωσης). Η ικανοποίηση των παραπάνω απαιτήσεων δεν είναι πάντοτε δυνατή στα πραγματικά κλινικά συστήματα, εξ’ αιτίας της πολυπλοκότητας σχεδίασής τους, του υψηλού κόστους κατασκευής και λειτουργίας τους και των σχέσεων αλληλεξάρτησης μεταξύ ορισμένων παραμέτρων. Όμως, εξειδικευμένα εργαλεία προσομοίωσης, που βασίζονται στην τεχνολογία Monte Carlo (MC) και έχουν υλοποιηθεί σε αντικειμενοστραφές περιβάλλον, ώστε να μπορούν εύκολα να προσαρμόσουν ή να επεκτείνουν τις λειτουργίες μοντελοποίησής τους, είναι δυνατόν σήμερα να εφαρμοστούν αποτελεσματικά για την εκπλήρωση των προηγούμενων στόχων, αφού καθιστούν εφικτή την απομόνωση της επίδρασης κάθε εξεταζόμενου παράγοντα, ενώ, παράλληλα, αποτελούν και μια ιδιαίτερα οικονομική λύση. To GATE (Geant4 Application for Tomography Emission) αποτελεί ένα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα MC αλγόριθμου που συγκεντρώνει τα παραπάνω χαρακτηριστικά και το οποίο θα αξιοποιηθεί από το σύνολο των μελετών που διεξήχθησαν στο πλαίσιο αυτής της διατριβής. Ωστόσο, το βασικό μειονέκτημα των αλγόριθμων MC είναι οι υψηλές απαιτήσεις τους σε υπολογιστικό χρόνο, ιδίως όταν η γεωμετρική μοντελοποίηση είναι πολύπλοκη. Το γεγονός αυτό καθιστά μη-πρακτική την εφαρμογή τους για προσομοιώσεις πραγματικών πειραμάτων πυρηνικής ιατρικής που συνήθως περιλαμβάνουν κατανομές πηγών υψηλής ενεργότητας και πολύπλοκα ψηφιακά ομοιώματα με συνέπεια να περιορίζονται σημαντικά οι κλινικές εφαρμογές τους. Ωστόσο, στο πλαίσιο αυτής της διατριβής, αναπτύχθηκε μια μέθοδος βελτιστοποίησης της υπολογιστικής απόδοσης μιας κατηγορίας μοντέλων του Geant4 και του GATE, επιτρέποντας έτσι την ελάττωση του συνολικού χρόνου εκτέλεσης 1.5 φορές κατά μέσο όρο. Επίσης, κατασκευάστηκε και μια συστοιχία υπολογιστών (computer cluster) που αποτελείται από 17 κόμβους επεξεργασίας με στόχο την επιπλέον επιτάχυνση των προσομοιώσεων. Έπειτα, σχεδιάστηκαν επιμέρους τμήματα προσομοίωσης για την παράλληλη εκτέλεση της αρχικής προσομοίωσης σε όλους τους διαθέσιμους κόμβους και, με αυτόν τον τρόπο, πραγματοποιήθηκε επιπρόσθετη επιτάχυνση κατά έναν παράγοντα ίσο με 17, που αποτελεί και την μέγιστη δυνατή επίδοση που θα μπορούσε να επιτευχθεί στην δεδομένη υπολογιστική πλατφόρμα. Επιπλέον, στην παρούσα διατριβή αναπτύσσεται μια μεθοδολογία για την αξιολόγηση απεικονιστικών συστημάτων πυρηνικής ιατρικής με βάση τις παραμέτρους επίδοσης του ποσοστού σκέδασης, της ευαισθησίας, του ρυθμού μέτρησης συμβάντων σύμπτωσης και της χωρικής διακριτικής ικανότητας. Για τον σκοπό αυτό σχεδιάζονται και υλοποιούνται τα μοντέλα τριών κλινικών απεικονιστικών συστημάτων τεχνολογίας ΡΕΤ, της ECAT EXACT HR+, της Biograph 2 και της Biograph 6, με την εφαρμογή του λογισμικού προσομοίωσης GATE, το οποίο βασίζεται στα επικυρωμένα και ακριβή εργαλεία MC προσομοίωσης του Geant4. Η ακρίβεια των δύο μοντέλων επικυρώνεται με την σύγκριση των πειραματικών και προσομοιωμένων μετρήσεων των παραπάνω παραμέτρων επίδοσης σύμφωνα το πρότυπο μετρήσεων NU 2-2001. Στην συνέχεια αξιοποιούνται τα παραπάνω επικυρωμένα μοντέλα για να είναι δυνατή η σχεδίαση και υλοποίηση αξιόπιστων προσομοιώσεων με ρεαλιστικά ανθρωπόμορφα ψηφιακά ομοιώματα, έτσι ώστε να μπορούν να μοντελοποιηθούν με περισσότερη ακρίβεια οι κλινικές εξετάσεις πυρηνικής ιατρικής απεικόνισης σε όλα τους τα στάδια. Ακολούθως, πραγματοποιήθηκε μια σειρά από προσομοιώσεις με ψηφιακά ομοιώματα με στόχο την βελτιστοποίηση συγκεκριμένων παραμέτρων του πρωτοκόλλου λήψης δεδομένων που εφαρμόζεται στις μετρήσεις πυρηνικής ιατρικής απεικόνισης, όπως είναι η χορηγούμενη δόση και ο χρόνος σάρωσης, για διαφορετικές πιθανές τιμές ενεργειακού παράθυρου, νεκρού χρόνος απόκρισης των ηλεκτρονικών συστημάτων συλλογής σήματος, χρονικού παράθυρου σύμπτωσης και μεγέθους του σώματος του ασθενούς. Το κριτήριο για την επιλογή, είτε της βέλτιστης δόσης, όταν ο χρόνος σάρωσης είναι δεδομένος, είτε του χρόνου σάρωσης, όταν η χορηγούμενη δόση είναι δεδομένη, αποτέλεσε η μεγιστοποίηση του ενεργού ρυθμού μέτρησης πραγματικών συμπτώσεων (NECR), ο οποίος είναι μαθηματικά ισοδύναμος με το τετράγωνο του σηματοθορυβικού λόγου SNR των δεδομένων προβολής και ποιοτικά εκφράζει τον ρυθμό με τον οποίο συλλέγονται στατιστικά σημαντικές μετρήσεις.