Investigation of image quality optimization methods for Positron Emission Tomography in hybrid medical imaging

Absztrakt

A PET egy rendkívül érzékeny képalkotási módszer melyet klinikai multimodális képalkotó eljárás (CT vagy MRI készülékkel együttesen használva) és preklinikai alkalmazásként is használnak. Az új félvezető detektor technológiák (mint méldául a SiPM-ek) fontos szerepet játszanak a hybrid képalkotásban ugyanakkor a PET képek SNR értékeinek javításában is. Intézeteinkben fejlesztettük ki a korszerű SiPM szenzorokat hsználó MiniPET-3 dedikált preklinikai PET készüléket. A MiniPET-3-at a hagyományos PMT detektor technologiát használó MiniPET-2-vel hasonlítottuk össze, amely teljesen hasonló szintillácós kristály geometriával rendelkezik. A NEMA NU 4 nemzetközi ajánlás méréseit elvégeztük mindkét MiniPET rendszeren. Mindezentúl, jelen munkánk az első teljes körű NEMA teszt, amelyet SiPM alapú preklinikai PET készüléken végeztek. Minkét kamera hasonló teljesítménnyel rendelkezik RC, SOR és SF értékekben. A rendszerek átlagos energia felbontása 19.98±7.59 %-nak adódott a MiniPET-2 és 31.74±11.30 %-nak a MiniPET-3 esetén. Alapvető különbséget tapasztaltunk a képi uniformitás (5.59 a MiniPET-2-re és 6.49 a MiniPET-3-ra) és a NEC csúcsértékeiben (14 kcps a MiniPET-2 és 24 kcps a MiniPET-3 kapcsán). Az előbbi a MiniPET-3 jobb térbeli felbontásának köszönhető, míg az utóbbi a MiniPET-3 jelentősen nagyobb holt idő faktorának tudható be. A térbeli felbontás 17%-kal volt jobb a MiniPET-3 esetén. Miközben az RC értékek hasonló teljesítményről tanúskodtak, a legkisebb átmérőjű rúd jóval láthatóbb volt a MiniPET-3 esetén amely a jobb térbeli felbontás eredménye. Ezen eredmények alapján kijelenthetjük, hogy az MRI kompatibilis SiPM fotoszenzorral rendelkező MiniPET-3 kamera összemérhetően jó eredményértékekkel rendelkezik mint a hagyományos technika, és kiváló minőségű képeket produkál a preklinikai képalkotás területén. A MiniPET eredmények alapján egy dedikált humán agy PET készülék szimulációját végeztük el. Meghatároztuk a pozíció térképeket, az energia felbontást, a rendszer érzékenységi profilt és a beütésszám teljesítményeket. Az eredmények egy lehetséges jővőbeli humán kamera tervezésében lehetnek segítségünkre. Megvizsgáltuk a különböző ágypozíciók gyűjtési idejének változtatását az axiális képszeletek harmonizáltabb SNR értékeinek érdekében. A gyűjtési idők becsléséhez a PET vizsgálat előtt lezajló CT vizsgálat képanyagából készülő ACF értékeket használtuk. Mind szimulációkat, mind fantom méréseket végeztünk különböző átmérőjű aktivitáseloszlásokkal. A képek zajtartalmának becslését minden kép-pixelre elégeztük töbszörös képsorozatok segítségével. Egyszerű polinom fügvény összefüggést találtunk a PET képek zajtartalma és a CT-ből származó átlag ACF értékek között mind a szimulációk, mind a fantom mérések esetén. Eredményeink alapján kijelenthető, hogy az egésztest humán PET vizsgálatok képanyagainak SNR értékei kiegyenlíthetők axiális irányban az ágypozíciónkénti gyűjtési idők szövetgyengítés alapján történő modulációjával. A konstans időérték helyett a gyűjtés hossza megnövelhető a magasabb szövetgyengítésű területeken és lecsökkenthető az alaconyabb szövetgyengítéssel rendelkező testterületeken. Ezen relatív gyűjtési idők gyorsan számolhatók az SNR és ACF értékek közötti összefüggés alapján.


PET is a very target sensitive imaging method that is used worldwide both in clinical hybrid techniques (combined with CT or MRI) or preclinical applications. New semiconductor photo-detector technologies (i.e. SiPM) play an important role in hybrid imaging and the improvement of image SNR. A preclinical PET system, the MiniPET-3 uses state-of-the-art SiPM photosensors was constructed in our institutions. We compared the MiniPET-3 with the MiniPET-2, a system with the same crystal geometry but conventional PMTs. The standard measurements proposed by the NEMA NU 4 protocols were performed on both systems. In addition, this is the first complete NEMA study on a SiPM based preclinical PET scanner. Both scanners performed similarly in terms of system sensitivity, RC, SOR and SF. The system average energy resolution values were measured to be 19.98±7.59 % and 31.74±11.30 % for the MiniPET-2 and MiniPET-3 respectively. Main differences were found in image uniformity (5.59 for MiniPET-2 and 6.49 for MiniPET-3) and peak NEC values (14 kcps for MiniPET-2 and 24 kcps for MiniPET-3). The former is a result of the slightly better spatial resolution of the MiniPET-3 and the latter is the consequence of the significantly higher dead time factor of the MiniPET-2. Spatial resolution was approximately 17% better on average for the MiniPET-3 than the MiniPET-2. While overall the RC values showed similar performance, the smallest diameter rod was more visible on the images of the MiniPET-3, which is probably a result of the better spatial resolution. Based on these results we can conclude that the MRI-compatible SiPM-based MiniPET-3 scanner shows comparable results with the conventional technology producing images of high quality for small animal imaging. In addition, we performed computer simulation of a human brain PET scanner using the MiniPET concept and determined position maps, energy resolution, system sensitivity and count rate performances. The results gave us an outlook for possible future human applications based on the MiniPET conclusions. We investigated the possibility of varying the acquisition time at different sections of the body such that the image SNR was kept relatively constant for all slices. To estimate the acquisition times for the different sections of the body we proposed to use the AC sinogram generated from the CT scan that is acquired prior to the PET scan. Both simulations and phantom measurements of different diameter cylinders with activity distributions were performed. The image noise was estimated in every pixel from multiple replicate image sets. A simple polynomial function was found for both the simulations and the phantom measurement images to accurately describe the image noise as a function of AC factors. The findings of this work indicate that regional image SNR of human Whole Body PET scans can be made more uniform axially by adjusting the acquisition time per bed position according to the amount of attenuation. Instead of using a fixed scan time for each bed position, the acquisition can be extended in areas of high absorption and shortened in less absorbing sections of the body. The relative acquisition times can be quickly calculated using a simple functional relationship.

Leírás
Kulcsszavak
Positron Emission Tomography, Pozitron Emissziós Tomográf, MiniPET, Signal-to-Noise Ratio, Image Quality, Whole Body PET Acquisition, Small-animal PET scanner, Image Reconstruction, Performance Evaluation, Instrumentation, Attenuation Correction, Molecular Imaging, Jel/zaj viszony, SiPM, Képminőség, Egésztest PET Vizsgálat, Kisállat PET kamera, Képrekonstrukció, Teljesítmény teszt, NEAMA NU 4, Hardverfejlesztés, Gyengítés Korrekció, Molekuláris Képalkotás
Forrás