Experimentação

A última etapa da simulação corresponde à experimentação. O início e fim da aquisi- ção são definidos de forma semelhante às aquisições reais. Adicionalmente, o GATE necessita ainda de um outro parâmetro que define o período de tempo durante o qual se assume que o sistema simulado se mantém estático. Assim, no início de cada projecção, a geometria é actualizada de acordo com os movimentos requisitados. Esta característica é particularmente vantajosa, uma vez que considera os movimentos das fontes radioac- tivas e dos detectores e por outro lado, durante cada tempo por projecção, a geometria permanece estática e processa-se a simulação do transporte de partículas e, consequen- temente, o processo de aquisição de dados.

Como síntese, importa salientar que as etapas de definição da verbosidade, da geo- metria, da digitalização e dos processos físicos, correspondem ao modo PreInit do Geant4 enquanto as restantes etapas têm inicio após a inicialização da simulação.

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3.4.3.8. DigiGATE

No modo de operação padrão do GATE, são geradas partículas primárias por uma fonte e depois propagadas pela geometria de atenuação antes de serem gerados hits nos detectores sensíveis que são processados pelo canal digitalizador. Segundo refere Jan, S.

et al. (166), este modo de operação pode ser melhorado através da comparação dos

resultados das diferentes combinações de parâmetros do digitizer que usam as mesmas séries de hits. Para executar esta tarefa específica, o GATE oferece um modo operacio- nal denominado DigiGATE. Neste modo, os hits são lidos do ficheiro de dados gerado pelo GATE e os mesmos comandos macros são usados para ambos – o simulador de geração de hits e as simulações do DigiGATE. Assim, todas as condições são idênticas nas simulações, incluindo as dependências de tempo.

3.4.3.9. Validação do GATE

A validação dos dados obtidos por métodos de simulação de Monte Carlo, em rela- ção aos resultados que se obtêm com sistemas SPECT e PET, é fundamental para ava- liar o nível de exactidão das simulações. Actualmente e usando a plataforma GATE, já foram validados as simulações dos equipamentos SPECT apresentados na tabela 5.

Tabela 5. Sistemas SPECT comerciais validados na plataforma de simulação GATE. Tabela adaptada de Jan S et. al. (175).

Sistemas SPECT

Modelo/Construtos Figura de mérito estudada Comparação

Dados Experimentais/GATE Referencias Bibliográficas Áxis Phillips Fraccção de dispersão Resolução espacial Espectro energético Sensibilidade Perfis de dispersão 33,44% / 31,15% 1.30 cm /1.36 cm Inspecção visual 231 cps/MBq / 246 cps/MBq Inspecção visual Staelens e tal, 2003 (169)

Solstice, Pillips Sensibilidade Concordância com dados teóricos

Staelens at al, 2003

(169)

Millenium VG HawkEye, GEMS

Espectro energético do I -131 Resolução espacial (I-131)

Inspecção visual < 3% Autret e tal, 2005 (179) DST Xli, GEMS Espectro energético Resolução espacial - 10 cm no ar - 20 cm na água Sensibilidade Excelente concordância 9.5 mm/9.6 mm 14,2 mm / 14,4 mm Diferença < 4% Assié e tal. 2005 (171)

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3.5. Fantômas

Um fantôma é um objecto que pode ser utilizado, para avaliar as características dos sistemas de imagem. Os fantômas podem ser físicos, constituídos por determinados materiais, (e.g. plástico) ou de simulação computorizada. Os fantômas de simulação computorizados são os que recorrem a métodos de simulação Monte Carlo para repro- duzir fantômas capazes de retratar por exemplo imagens médicas de um paciente com caracteristicas prórprias e bem definidas (e.g. idade, sexo, peso, altura, tipo de patolo- gia, entre outras).

Os fantômas de simulação computorizados tornaram-se num importante complemen- to indispensável, para derivações teóricas, métodos experimentais, e estudos clínicos de pesquisa, e em imagens médicas e seu desenvolvimento. Eles foram considerados úteis em problemas onde as soluções teóricas não estavão disponíveis, onde os estudos expe- rimentais são inadequados (e.g. submissão de pacientes a diferentes doses de radiação com o objectivo de optimizar protocolos), e ainda em estudos clínicos difíceis e onero- sos (180).

Segundo Segars, W. et al. (181), os fantômas de simulação computadorizados podem ser divididos em duas classes gerais: os fantômas baseados no pixel, e os baseados na geometria.

Segundo a literatura (182-183) os fantômas que são baseados no pixel geralmente são baseados em dados de pacientes, e são assim fixos para uma anatomia particular, bem como para uma resolução específica. Como tal, estes fantômas podem ser muito limita- dos para estudos de variações anatómicas (180,181).

Os fantômas baseados na geometria fazem uso de primitivas geométricas simples e podem permitir a variação anatómica e a geração de múltiplas resoluções. Estes fantô- mas, também permitem a determinação de propriedades importantes da anatomia, como o volume de um órgão. Podem ser razoavelmente reais, mas por vezes a simplicidade das equações matemáticas limitam a modelação exacta das formas do órgão (184-186). Para permitir estudar os efeitos das variações anatómicas nas imagens SPECT e Gated-SPECT do miocárdio foi desenvolvido o fantôma dinâmico Mathematical Car- dio-Torso (MCAT) que é baseado em primitivas geométricas simples mas usa planos de corte, intersecções, e sobrepõem superfícies biológicas complexas. Porém, este tipo de fantôma, ainda se encontrava limitado na modelação realística de forma de órgãos, nas

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variações anatómicas e no movimento do paciente. Assim, e porque se necessitava de um fantôma que conseguisse prover modelos realísticos de estruturas anatómicas e que apresentasse alguma flexibilidade na representação precisa das variações anatómicas entre pacientes, surge a necessidade de implementar neste fantôma as superfícies Non- Uniforme Racional B-spline (NURBS) (187).

Os NURBS são extensamente usados em gráficos 3D de computador para descrever superfícies tridimensionais. Uma superfície NURBS (c.f. figura 31) é uma representação bidirectional, paramétrica de um objecto em que os pontos nessa superfície aparecem definidos por duas variáveis paramétricas, u, e v, normalmente representando longitude e latitude, respectivamente.

Figura 31. Superficies NURBS. Imagem adaptada de Segars W (181).

A superfície 3D NURBS aparece com um grau p na direção de u e grau q na direcção de v que está definido como uma relação de Polinómios de B-splines pela função seguinte (187).

Eq. 25

0 ≤ u ≤ 1 0 ≤  ≤ 1

Os Pi,j representam os pontos de controle definidos na superfície, wi,j são os pesos que determinam a influência dos pontos na forma da superfície e Ni,p(u) e Nj,q(v) são as funções de base B-splines não uniformes definidas como vectores nó.

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Eq. 26

Eq. 27

onde r = n + p + 1 e s = m + q + 1.

Como as superfícies NURBS são contínuas, permitem a representação de uma super- fície a qualquer resolução e como tal aumentaram a flexibilidade para modelar formas biológicas mais realisticamente. Contudo, uma desvantagem das NURBS é a complexi- dade matemática que elas implicam. De facto, com este tipo de fantôma conhecido como MCAT e baseado em B-spline começou a ser possível modelar a forma dos órgãos, variações anatómicas e movimentos dos pacientes mais realisticamente do que só com o uso do fantôma MCAT geométrico.

Figura 32. Vistas anteriores no fim da expiração (à esquerda) e no fim da inspiração (à direita). Meca- nismos respiratórios em fantômas baseados no MCAT (em cima) e em B-spline MCAT (em baixo). Ima- gem adaptada de Segars P et. al. (180).

Segars W. (181) desenvolveu um fantôma 4D NURBS – based Cardiac Torso (NCAT) (180,181, 188) (c.f. figura 32) que permite obter um modelo real e flexível da anatomia e fisiologia humana útil para os estudos de Medicina Nuclear. As formas dos

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órgãos neste fantôma são modeladas, por superfícies NURBS e o fantôma estendeu-se a quatro dimensões (4D), para modelar os movimentos cardíaco e respiratório. Para tal, Segars, W (181) usou os dados da imagem de ressonância magnética a 4D (MRI) como a base para o modelo cardíaco e os dados da imagem de alta resolução do Gated respira- tório CT como a base para o modelo respiratório. Ambos os dados das imagens adquiri- das tinham sido de pacientes normais voluntários. Considerando que este fantôma se baseia em dados humanos para modelar os órgãos e, por outro lado, se caracteriza pela inerente flexibilidade, dos NURBS primitivos, o fantôma 4D NCAT apresenta-se actualmente, como uma excelente ferramenta que permite estudar os efeitos de anatomia e movimentos do paciente no SPECT do miocárdio (181,188-189).

Por este motivo, o fantôma 4D NCAT foi o fantôma introduzido na plataforma GATE para estudar num miocárdio com uma biodistribuição normal a actividade em Bq/voxel do miocárdio e consequentemente o número de contagens totais a partir dos quais o tempo de aquisição por projecção não interfere na determinação dos parâmetros funcionais, nos estudos Gated-SPECT.

Refere-se contudo que o fantôma usado, o NCAT, e durante o período de realização da dissertação, já foi objecto de melhoramentos por parte da equipa que o concebeu, conseguindo actualmente ser também uma ferramenta útil e única na simulação de estu- dos do tórax em modo 4D por Tomografia Computorizado. Por este motivo, o fantôma sofreu uma ligeira alteração na designação, sendo actualmente denominado de XCAT

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Capítulo III

1. Metodologia

1.1. Introdução

O trabalho experimental desenvolvido para esta dissertação seguiu uma metodo- logia que se baseou numa divisão do estudo em duas etapas distintas: em primeiro lugar, a simulação por método de Monte Carlo GATE de estudos Gated-SPECT, difíceis de realizar com pacientes reais, e em segundo lugar, estudos realizados em pacientes sub- metidos a estudos Gated-SPECT por indicação clínica.

Na 1ª etapa metodológica, foram definidos os métodos usados para atingir os seguintes objectivos (c.f. Cap III – sub-ponto 1.2): a) Conceber por Métodos de Simula- ção Monte Carlo, um modelo de sistema de Câmara-Gama com dois detectores, idêntico ao usado na aquisição de estudos experimentais reais (modelo Millenium MG, GE Healthcare Milwaukee USA); b) Validar o referido modelo com recurso a dados reais; c) Analisar em estudos Gated-SPECT simulados, a interferência do número de conta- gens totais, por aquisição simulada, no cálculo da FEVE, VTD, VTS e na quantificação da motilidade e espessamento sistólico do ventrículo esquerdo do miocárdio.

Na 2ª etapa metodológica, foram definidos métodos para responder aos seguintes objectivos (c.f. Cap III – sub-ponto 1.3): a) Analisar em estudos Gated-SPECT reais, a possível interferência do número de ciclos cardíacos (ciclos/frame) e contagens totais, por aquisição, no cálculo da FEVE, VTD, VTS e na quantificação da motilidade e espessamento sistólico do miocárdio do ventrículo esquerdo e comparar os valores dos dados reais, com os dados simulados; b) Avaliar o efeito de alimentos com teor lipídico diferente na redução da actividade extra-miocárdica e, consequentemente, na melhoria da qualidade de imagem dos estudos Gated-SPECT; e c) Avaliar o índice de captação de 99m

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