P12. Küçük Hayvan Görüntüleme için Modüler bir SPECT Dedektör Sisteminin Geliştirilmesi

Küçük Hayvan Görüntüleme için Modüler bir SPECT Dedektör Sisteminin Geliştirilmesi 

 

 

Özet

Hastalıkların erken tanısında, dokulardaki patofizyolojik gelişmelerin araştırılmasında ve tedavilerin etkinliklerinin incelenmesinde klinik öncesi görüntüleme modalitelerinin katkıları gittikçe artmaktadır.

• İstisnasız neredeyse tüm yeni farmakolojik ve biyoteknolojik tedaviler, öncelikle deneysel hayvan hastalık modellerinde kanıtlanmakta, ancak bu aşamada başarılı olanlar için insanlarda faz çalışmaları başlayabilmektedir.

Bu proje ile, preklinik deneysel hayvan görüntülemede kullanılabilecek bir gama kamera modülünün tasarımı, modellenmesi ve preklinik SPECT uygulamalarında kullanılabilecek bir ileri ürün demo prototipinin geliştirilmesi amaçlanmıştır.

Hedefler

Hastalıkların erken tanısında, biyomarker geliştirilmesinde ve yeni farmakolojik ajanların etkinliğinin değerlendirilmesinde küçük hayvan modelleri üzerinde yapılan preklinik görüntüleme çalışmaları kritik bir rol oynamaktadır. Bu doğrultuda projenin temel hedefi, küçük hayvan modellerinde kullanılmak üzere yüksek çözünürlüklü, hassasiyeti artırılmış ve modüler yapıya sahip bir SPECT dedektör sisteminin geliştirilmesidir. Bu kapsamda, klasik sistemlerin çözünürlük ve erişilebilirlik kısıtlarını aşan, farklı konfigürasyonlarda kullanılabilen, açık kaynak yazılım ve donanım altyapısı ile araştırmacılara geniş geliştirme imkânı sunan bir prototip oluşturulacaktır. Geliştirilecek sistemin yalnızca preklinik araştırmalarda değil, uzun vadede portatif beyin SPECT gibi klinik uygulamalarda da kullanılabilecek bir teknoloji platformu niteliği taşıması hedeflenmektedir.

Blokdiagram 1: Projenin Temel Hedefleri

Bu kapsamda Boğaziçi Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği Enstitüsü (XLAB) öncülüğünde, TÜBİTAK 1004 Mükemmeliyet Merkezi Destek Programı altında “Küçük Hayvan Görüntüleme için Modüler SPECT Dedektör Sistemi” geliştirilmektedir.

Kazanımlar

Projenin tamamlanmasıyla birlikte ülkemizde ilk kez modüler tasarıma sahip preklinik bir SPECT sistemi prototipi geliştirilmiş olacaktır. Bu sistem sayesinde küçük hayvan modellerinde yüksek çözünürlükte nükleer görüntüleme yapılabilecektir. Geliştirilecek dedektör modülleri ve özgün tasarım yaklaşımı, yalnızca deneysel hayvan çalışmalarında değil, uzun vadede portatif beyin SPECT gibi klinik uygulamalarda da kullanılabilecek bir teknoloji platformu niteliği taşıyacaktır. Ayrıca proje kapsamında elde edilecek elektronik, mekatronik, görüntü işleme ve yazılım geliştirme deneyimleri, ulusal ölçekte biyomedikal görüntüleme alanında sürdürülebilir bir bilgi birikimi oluşturacak; bu bilgi birikimi ileride farklı klinik sistemlere ve endüstriyel uygulamalara uyarlanabilecektir. Böylece proje, hem bilimsel hem de teknolojik açıdan yenilikçi çıktılar sunmanın ötesinde, ülkemizin yüksek teknolojili tıbbi cihazlarda dışa bağımlılığını azaltmaya yönelik stratejik bir katkı sağlayacaktır.

Bu proje kapsamında ileride yerli, modüler bir SFOV klinik SPECT cihazının üretilmesi yolunda önemli bir bilgi birikimi oluşacaktır.

Blokdiagram 2: Gelecek Perspektifi ve Beklenen Etkiler

SPECT sistemlerinin sunduğu fonksiyonel/fizyolojik görüntüleme özelliği sayesinde beyinde aktivite tutulumlarının dağılım ve zamanla değişimlerine bakılarak çeşitli nörolojik ve psikiyatrik hastalıkların tanısı konulabilecektir.

 

İş Paketleri

Projenin içerdiği iş paketlerine aşağıda yer verilmiştir.

İP1 – Tasarım Kriterlerinin Belirlenmesi ve Modelleme Çalışmaları

• Kullanılacak sintilatör, fotoçoğaltıcı, dedektör boyutu vb. kriterlerin belirlenmesi
• Geant4 ve GAMOS gibi Monte Carlo simülasyon araçları ile modelleme

İP2 – Prototip Geliştirme (Mekatronik ve Elektronik Aksamların Hazırlanması)

• Sintilatör ve SiPM entegrasyonu
• Servo motor tabanlı dedektör hareket sisteminin oluşturulması
• Elektronik senkronizasyon devresi

İP3 – Tasarımın Birleştirilmesi ve Entegrasyon Testleri

• Dedektör, mekatronik, elektronik kontrol ve yazılım modüllerinin entegrasyonu
• Merkezi kontrol yazılımı ve protokollerin geliştirilmesi

İP4 – Görüntü Oluşturma (Reconstruction) Çalışmaları ve Arayüz Geliştirme

• Gama kamera çıktılarından 3D SPECT görüntülerinin oluşturulması
• Rekonstrüksiyon algoritmaları (MLEM, OSEM vb.)
• Beyin SPECT verileri üzerinde segmentasyon, registration ve 3D görselleştirme

İP5 – Kolimatör ve Fantom Geliştirme Çalışmaları

• Kolimatör tasarımı ve üretimi
• Fantom geliştirilmesi

İP6 – Dedektör Performans ve Görüntü Kalitesi Testleri

• NEMA NU 1:2018 standardına göre performans ölçümleri
• Uzaysal çözünürlük, enerji çözünürlüğü, üniformite, sayım hızı vb. testler

İP7 – Geliştirilen Modüler Gama Kameranın İnsan Beyin SPECT Görüntülemesinde Kullanılabilirliğinin Araştırılması

• Prototipin beyin SPECT sistemi olarak modelleme ve simülasyonu
• GEANT4 ile head phantom ve CT verileri üzerinden performans analizi.

Blokdiagram 3: İş Paketleri

 

Yapılan Çalışmalar

• Tasarım ve Modelleme: Geliştirilecek dedektör modülünün geometrisi, malzeme seçimi ve performans kriterleri için Monte Carlo simülasyonları (Geant4, GAMOS, GATE) kullanıldı. Böylece farklı kristal ve kolimatör konfigürasyonları karşılaştırıldı.

Şekil-1: Geant4 ile panoramik görüntüleme amacıyla XLAB bünyesinde tasarlanmakta olan bir dedektör sistemi örneği.

Şekil 1’de, çizgisel array şeklinde üretilmiş ve laboratuvarımızda sintilatör kaplanmış CMOS çiplerinin panoramik görüntüleme için kullanılabilirliğinin araştırılması amacıyla tasarlanan dedektör sisteminin simülasyon çalışmasına dair bir görsel sunulmuştur. Proje kapsamında benzer şekilde, prototipi oluşturulan dedektör sisteminin modellemsini ve nükleer kaynağın davraşını simüle edilmesini göstermektedir.

• Donanım: Hamamatsu SiPM dizileri, GAGG sintilatör kristalleri ve PETIROC/WeeROC tabanlı okuma sistemleri temin edildi.

Şekil 2 – CAEN DT5550W PETIROC ASIC tabanlı SiPM readout sistemi

 

Şekil 3 – Hamamatsu SİPM boyutlarında özel üretim GAGG structured sintilatör

 

Şekil 4 – Hamamatsu S13361-3050AE-08 Silikon Fotoçoğaltıcı Array (SiPM)

 

• Mekanik Tasarım ve Protatipi: Mekanik tasarım ile en iyi mesafe belirlenerek benchmark olarak planlanarak mekanik protatip için çalışmlar devam etmekte. Böylelikle görüntüleme için backgorund oluşturulmuş oldu.

 

Mesafe ayarlamak için kullanılan mekanik sistem şekil 5 daki gibi ayarlanabilir şekilde bir platform oluşturulmuştur.

 

Şekil 5: Mesafe ayarlanabilir sistem

En iyi mesafe ayarlandıktan sonra 3D görüntü oluşumu için objenin bir den fazla açıdan görünüt alımı için mekanik düzenek tasarlanmaktadır şekil 6 de belirtilen doğrultuda ilerlenmektedir.

Şekil 6 – FBP görüntü rekonstrüksiyonu A) Farklı açılar için nokta kaynak için projeksiyon profilleri. B) Görüntü oluşumu.

Bu doğrultuda mekanik entegrasyon için tasarım ile ilgili simülasyon ve teknik çizim çalışmaları yapılmıştır.

Şekil 7 – Kartların geri dönüşü sonrasında prototip ürünün oluşturulması için yapılan mekanik sistem tasarımı

Sistem içerisinde yer alacak sensörlerin bağlantı kabloları ve hareket mekanizmaları, dairesel hareket ekseninde cm hassasiyetinde görüntü alabilecek ve kaynak büyüklüğüne göre kaynak-obje mesafesi ayarlanabilecek şekilde tasarlanmıştır. (Şekil 8)

Şekil 8 –Sensör yerleşim alanları, hayvan yatak giriş alanının mevcut yatak ile entegre çalışma mekanizması ve hareket dişlilerinin yerleşimi.

Tasarlanan mekanik sistem, merkezimizde mevcut bulunan PET ve MRI sistemi ile entegre çalışabilecek şekilde tasarlanmaktadır. (Şekil 9)

Şekil 9 –Entegre çalışması planlanan MRI Solutions tarafından üretilen PET – CT sistemi ve hasta yatak mekanizması

 

• Entegrasyon: Dedektör – okuma elektroniği – yazılım entegrasyonu başarıyla sağlandı. İlk veri alımları ve kalibrasyon çalışmaları tamamlandı.

Şekil 10 – DT5550W ve A55PET4 kartlarının entegre hali (a), DT5550W, A55PET4 kartları ile SiPMlerin entegre hali (b), DT5550W, A55PET4 kartları, SiPMler ve sintilatörlerin entegre hali (c).

 

• Kalibrasyon:

SiPM'lerden sağlıklı veri alabilmek için öncelikle sistemde gürültü tespiti ve kalibrasyonu yapılmıştır. SiPM'lerin ışıktan etkilenmemeleri için ışık almayacak kapalı bir düzenek hazırlanmıştır.

Şekil 11 – Sistemdeki gürültüyü tespit edebilmek adına hazırlanan düzenek

 

• İlk Görüntüler: Co-57, Co-60, Eu-152, Ba-133 ve Cs-137 gibi standart referans kaynaklarıyla yapılan deneylerde, sistemin başarılı şekilde görüntü ürettiği doğrulandı şeil 12 deki gibi belirtilmiştir.

Şekil 12 – Standart referans kaynaklar ile yapılan denemelerde elde edilen kümülatif görüntüler; Co-57(a), Ba-133(b), Cs-137(c). (Tüm kümülatif görüntü görsellerinde SiPM kanallarının aktivite yoğunluğu renk skalası ile sıralanmıştır. Aktivite yoğunluğu büyükten küçüğe olacak şekilde kırmızı, sarı, yeşil, turkuaz, lacivert şeklindedir.)

Elde edilen bu görüntülerden anlaşılacağı üzere sistemin istenilen düzeyde çalıştığı görülmüş ve ilk görüntüler başarılı şekilde elde edilmiştir. Tek kaynak ile yapılan denemelerden sonra iki kaynak birlikte kullanılarak çift SiPM kanalı üzerinden veri alımı validasyonu da yapılmıştır.

İşbirliklerimiz ve Altyapımız