Different partial volume correction methods lead to different conclusions: An 18F-FDG-PET study of aging.

A cross-sectional group study of the effects of aging on brain metabolism as measured with 18F-FDG-PET was performed using several different partial volume correction (PVC) methods: no correction (NoPVC), Meltzer (MZ), Müller-Gärtner (MG), and the symmetric geometric transfer matrix (SGTM) using 99 subjects aged 65-87years from the Harvard Aging Brain study. Sensitivity to parameter selection was tested for MZ and MG. The various methods and parameter settings resulted in an extremely wide range of conclusions as to the effects of age on metabolism, from almost no changes to virtually all of cortical regions showing a decrease with age. Simulations showed that NoPVC had significant bias that made the age effect on metabolism appear to be much larger and more significant than it is. MZ was found to be the same as NoPVC for liberal brain masks; for conservative brain masks, MZ showed few areas correlated with age. MG and SGTM were found to be similar; however, MG was sensitive to a thresholding parameter that can result in data loss. CSF uptake was surprisingly high at about 15% of that in gray matter. The exclusion of CSF from SGTM and MG models, which is almost universally done, caused a substantial loss in the power to detect age-related changes. This diversity of results reflects the literature on the metabolism of aging and suggests that extreme care should be taken when applying PVC or interpreting results that have been corrected for partial volume effects. Using the SGTM, significant age-related changes of about 7% per decade were found in frontal and cingulate cortices as well as primary visual and insular cortices

Accurate molecular imaging of small animals taking into account animal models, handling, anaesthesia, quality control and imaging system performance

Small-animal imaging has become an important technique for the development of new radiotracers, drugs and therapies. Many laboratories have now a combination of different small-animal imaging systems, which are being used by biologists, pharmacists, medical doctors and physicists. The aim of this paper is to give an overview of the important factors in the design of a small animal, nuclear medicine and imaging experiment. Different experts summarize one specific aspect important for a good design of a small-animal experiment

Performance and Methodological Aspects in Positron Emission Tomography

Performance standards for Positron emission tomography (PET) were developed to be able to compare systems from different generations and manufacturers. This resulted in the NEMA methodology in North America and the IEC in Europe. In practices, the NEMA NU 2- 2001 is the method of choice today. These standardized methods allow assessment of the physical performance of new commercial dedicated PET/CT tomographs. The point spread in image formation is one of the factors that blur the image. The phenomenon is often called the partial volume effect. Several methods for correcting for partial volume are under research but no real agreement exists on how to solve it. The influence of the effect varies in different clinical settings and it is likely that new methods are needed to solve this problem. Most of the clinical PET work is done in the field of oncology. The whole body PET combined with a CT is the standard investigation today in oncology. Despite the progress in PET imaging technique visualization, especially quantification of small lesions is a challenge. In addition to partial volume, the movement of the object is a significant source of error. The main causes of movement are respiratory and cardiac motions. Most of the new commercial scanners are in addition to cardiac gating, also capable of respiratory gating and this technique has been used in patients with cancer of the thoracic region and patients being studied for the planning of radiation therapy. For routine cardiac applications such as assessment of viability and perfusion only cardiac gating has been used. However, the new targets such as plaque or molecular imaging of new therapies require better control of the cardiac motion also caused by respiratory motion. To overcome these problems in cardiac work, a dual gating approach has been proposed. In this study we investigated the physical performance of a new whole body PET/CT scanner with NEMA standard, compared methods for partial volume correction in PET studies of the brain and developed and tested a new robust method for dual cardiac-respiratory gated PET with phantom, animal and human data. Results from performance measurements showed the feasibility of the new scanner design in 2D and 3D whole body studies. Partial volume was corrected, but there is no best method among those tested as the correction also depends on the radiotracer and its distribution. New methods need to be developed for proper correction. The dual gating algorithm generated is shown to handle dual-gated data, preserving quantification and clearly eliminating the majority of contraction and respiration movementSiirretty Doriast

Simulación de rango del positrón y emisiones gamma adicionales en PET

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias Físicas, Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear, leída el 03-04-2014Depto. de Estructura de la Materia, Física Térmica y ElectrónicaFac. de Ciencias FísicasTRUEunpu

On the use of image derived input function for quantitative PET imaging with a simultaneous measuring MR-BrainPET

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2012As técnicas de imagiologia são uma mais valia para a compreensão do corpo humano e deste modo constituem uma ferramenta relevante para a medicina moderna. Atualmente, as técnicas de imagiologia que apresentam uma maior especificidade e sensibilidade ao nível molecular são as técnicas de medicina nuclear, onde se destaca a tomografia por emissão de positrões (PET, acrónimo inglês de Positron Emission Tomography). Esta modalidade permite obter, de uma forma não invasiva, informação in vivo sobre a distribuição espácio-temporal de moléculas, que se encontram marcadas com um átomo emissor de positrões, os radio-traçadores. Durante as últimas décadas a PET apresentou um nível de desenvolvimento assinalável, que se refletiu na construção de sistemas de imagem direcionados a imagiologia do cérebro (High-Resolution Research Tomography, resolução espacial de 2.5mm) e de corpo inteiro (ECAT EXACT HR+, resolução espacial de 5 mm). No entanto, uma das limitações desta modalidade de imagem é o facto de apenas permitir obter uma escassa informação anatómica. De forma a potencializar a utilização das imagens de PET na prática clínica, foi proposta a sua fusão com imagens que apresentassem um elevado detalhe anatómico, como é o caso das imagens obtidas por tomografia computorizada (CT, acrónimo inglês de Computed Tomography) ou por ressonância magnética nuclear (MRI, acrónimo inglês de Magnetic Resonance Imaging). Inicialmente, a fusão de imagens médicas teve por base o co-registo de imagens adquiridas de forma não simultânea. Contudo, desta abordagem resultaram erros de co-registo, devido às diferenças existentes no posicionamento do paciente nas várias aquisições, o que não permitiu explorar na sua totalidade as potencialidades de cada técnica de imagiologia. De forma a ultrapassar este problema foi proposto o desenvolvimento de sistemas de imagem híbridos. Durante a década de 90, os sistemas de PET/CT foram os primeiros sistemas de imagem híbridos a serem propostos e serem introduzidos na prática clínica. No entanto, o facto de as técnicas de CT utilizarem radiação ionizante e por as suas imagens apresentarem um reduzido contraste entre os tecidos moles impulsionaram o estudo de sistemas de imagem PET/MRI, onde estes problemas não são verificados. Nestes sistemas o elevado detalhe anatómico da MRI adiciona valor à imagem molecular de PET e vice-versa. No entanto, a utilização de detetores e de eletrónica sensível a campos magnéticos, por parte dos sistemas de PET, dificultou o avanço destes sistemas híbridos de imagem. Em 2006, após o desenvolvimento de detetores e de eletrónica não sensível a campos magnéticos, os fotodíodos de avalanche (APD, acrónimo inglês de Avalanche Photodiode), estes sistemas híbridos de imagem surgiram pela primeira vez. Estes detetores minimizam a interferência entre os sistemas de PET e de MRI, permitindo a aquisição de imagens em simultâneo, a partir de um único sistema. O BrainPET é o primeiro sistema de imagem de PET que permite a aquisição de imagens de PET e de MRI em simultâneo. Trata-se de um dispositivo construído para imagiologia cerebral, que foi desenvolvido pela Siemens Medical Solution Inc1. e que atualmente está instalado em quatro centros de referência em todo o mundo, Tübingen (University Hospital), Boston (Massachusetts Gene ral Hospital), Jülich (Forschungszentrum Jülich) e Atlanta (Emory University). A combinação do sistema de imagem BrainPET de alta resolução (resolução espacial de 3mm) com um sistema de imagem de MRI MAGNETOM Trio de 3 T permite a aquisição em simultâneo de imagens de PET/MRI, onde a informação anatómica, funcional e estrutural da MRI é intersectada com a informação molecular de PET. Um exame PET têm como objetivo principal obter uma imagem da distribuição dos radio-traçadores no organismo. Essa distribuição pode ser analisada visualmente ou de uma forma quantitativa. Pode também ser considerada como uma média ao longo do tempo do exame ou, separando os dados adquiridos, analisada em função do tempo. Desta forma é possível monitorizar as curvas de atividade tempo (TAC, acrónimo inglês de Time Activity Curve) de diferentes estruturas e com base nessa informação aferir sobre a sua fisiologia. Para tal é necessário: 1) imagens corrigidas para os efeitos deteriorantes da imagem e 2) modelos cinéticos. O primeiro ponto é utilizado pois os dados são afetados por diferentes fatores que deterioram a qualidade das imagens, tais como a interação dos fotões com a matéria (atenuação e dispersão) e as características do sistema (eficiência dos detetores e resolução do sistema). A capacidade de modelar ou corrigir estes efeitos sem degradar a relação sinal ruído (SNR, acrónimo inglês de Signal-to-Noise Ratio) das imagens está fortemente relacionado com a precisão das TACs, utilizadas nos modelos cinéticos. É a utilização destes modelos que permite estabelecer uma relação entre as TACs e os parâmetros biológicos que explicam o sistema biológico em estudo. Esta relação é obtida através de modelos compartimentais, que necessitam das TACs e de uma função de entrada (IF, acrónimo inglês de Input Function). Esta IF é normalmente adquirida através da colheita continua de sangue arterial na artéria radial. Contudo, este é um processo moroso, desconfortável e ao qual estão associados riscos de se realizar uma canulação arterial. Para além disso, a IF obtida por este método tem de ser calibrada em relação aos dados de PET e corrigida com um fator de dispersão e de atraso (consequência da distância percorrida pelo sangue desde o local de amostragem (artéria radial) até ao local de interesse (cérebro)). A utilização de exames dinâmicos de PET para extrair TACs referentes às artérias carótidas (CA, acrónimo inglês de Carotid Artery), através da definição de volumes de interesse (VOI, acrónimo inglês de Volume of Interest) em imagens de PET, foi proposta por alguns autores. Esta IF é denominada de função de entrada obtida a partir da imagem (IDIF, acrónimo inglês para Image Derived Input Function). Todavia, a precisão desta abordagem na identificação das CAs é limitada, devido à baixa resolução e à reduzida informação anatómica das imagens de PET. Em alternativa à utilização exclusiva das imagens de PET foi também proposta a utilização de imagens de MRI para definir as CAs, devido à sua elevada resolução e contraste nos tecidos moles. O desenvolvimento do 3 T MR-BrainPET é um excelente pré-requisito para se obter uma IDIF, pois através deste sistema é possível adquirir imagens simultâneas de MRI e de PET de alta resolução. Após a obtenção da IDIF esta necessita de ser corrigida para o efeito do volume parcial (PVE, acrónimo inglês de Partial Volume Effect), que é uma consequência da resolução do sistema e do tamanho das CAs. Este trabalho tem como objetivo investigar métodos não invasivos para estimar a IDIF de dados obtidos com o sistema de imagem híbrido 3 T- MR-BrainPET. Para tal, foram considerados três métodos de correção do efeito do volume parcial (PVC, acrónimo inglês de Partial Volume Correction): 1) Model-based PVC, que utiliza amostras de sangue venoso e 2) Recovery Coefficient e 3) Geometric Transfer Matrix (GTM), que não utilizam amostras de sangue. O método que se encontra descrito na literatura e que originou os melhores resultados foi o model-based PVC. Este método tem por base a estimação de dois coeficientes (PV e SP) utilizando as amostras de sangue venoso nos últimos instantes da TAC das CAs. Assim, o modelo assume que a IDIF é obtida através de uma combinação linear entre a IF corrigida para o PVE e uma TAC dos tecidos do lóbulo temporal adjacente à CA (Bg) (IDIF = IF_ PV + Bg_SP ). Tendo em conta o elevado impacto do ruído nas imagens de PET é de interesse estudar a influência do mesmo nas estimativas de PV e SP. Com este objetivo, utilizaram-se curvas simuladas de [18F]-FDG, às quais foram adicionadas diferentes níveis de ruído. Os resultados mostram que o aumento do ruído resulta numa sobrestimação do PV e numa subestimação do SP. Consequentemente são obtidos erros na área sob a curva (AUC, acrónimo inglês de Area Under the Curve), que é utilizada como input em diferentes modelos cinéticos. Este método apresenta ainda uma dependência do termo SP PV , onde quocientes maiores resultam em maiores erros. Este quociente é aumentado quando num passo de pós-processamento se aplica o filtro Gaussiano, uma vez que este reduz o PV e aumenta o SP (aumenta o PVE e o spillover). Com o objetivo de reduzir a influência do filtro Gaussiano, neste trabalho propomos a utilização de um filtro bilateral, o filtro bilateral híbrido (HBF, acrónimo inglês de Hybrid Bilateral Filter). Este filtro utiliza a informação anatómica das Cas de uma imagem de MRI para controlar a filtragem nos limites das CAs. De forma a avaliar o HBF e os PVC foram geradas imagens dinâmicas de [18F]-FDG PET de um sujeito saudável, com a plataforma de simulação Monte Carlo Geant4 Application for Tomographic Emission (GATE). O impacto da IF foi também estudado na taxa de consumo cerebral de glucose metabolizada (CMRglu acrónimo inglês para Cerebral Metabolic Rate for Glucose). Para se obter a IDIF foram considerados não só a média dos valores no VOI (IDIF-A), mas também a média dos n pixels com valor mais elevado em cada plano no VOI (IDIF-nH) e no VOI (IDIF-nV). O HBF foi avaliado com base nos coeficientes do model-based PVC e na AUC. Os resultados obtidos mostram que os recovery coefficients, denominados de tPV, apresentam valores idênticos aos PV para a IDIF-A e a IDIF-4H a IDIF-10H. Contudo a PVC continua a ser necessária. Após a PVC, as IDIF-4H a IDIF-10H dos dados filtrados com o HBF apresentaram os menores erros em termos de AUC e CMRglu. O HBF aumenta a SNR sem deteriorar a resolução do sistema localmente. Os métodos de PVC foram também avaliados com dados reais de [18F]-FDG, [18F]-FET e [15O]-água adquiridos com o 3 T MR-BrainPET. O co-registo entre as CAs nas imagens de PET e numa imagem Magnetization Prepared Rapid Gradient Echo (MPRAGE) foi validado, o que permite obter uma IDIF através da definição do VOI em imagens de MRI. Para tal, foram analisadas imagens paramétricas de CMRglu e do fluxo sanguíneo cerebral (CBF acrónimo inglês para Cerebral Blood Flow). Os resultados obtidos com os dados de [18F]-FDG mostram que os coeficientes tPV e PV estão de acordo e que o coeficiente SP é aproximadamente constante para a IDIF-A e a IDIF-4H a IDIF-8H. Estes resultados estão de acordo com os dados simulados, o que sugere que pode ser possível utilizar o tPV e um SP constante para corrigir a IDIF com estes parâmetros. Os resultados dos dados de [18F]-FET mostram que ocorreu uma sobrestimação da IDIF, o que sugere que este radio-traçador pode ter propriedades pegajosas. Para os dados de [15O]-água foi também proposto um método de correção da dispersão e do atraso, tendo por base a IDIF, o PVE, a dispersão e o atraso. Cada radio-traçador apresenta características específicas e deste modo, cada método deve ser avaliado para cada radio-traçador. O HBF foi ainda validado com dados de fantomas e de pacientes, onde foram determinados os seus parâmetros ótimos (g _ 6). Estes resultados estão de acordo com os dados de simulação Monte Carlo, onde o HBF aumenta o SNR sem deteriorar a resolução localmente. Em suma, o trabalho desenvolvido nesta dissertação mostra que a integração de um sistema de alta resolução PET (BrainPET) num sistema de imagem MRI de 3 T permite a obtenção de uma IDIF com base em VOIs definidos em imagens de MRI, devido a um co-registo excelente na região das CAs. A IDIF deve ser corrigida para o PVE. Este trabalho propõe e valida o HBF com dados simulados de fantomas e de pacientes. Um novo método de correção da dispersão e do atraso da IF é também proposto tendo em conta a IDIF e o PVE. Assim, a integração de abordagens híbridas PET/MRI abre novos horizontes para a imagiologia cerebral, onde as mais valias de cada modalidade convergem num maior número de oportunidades de conhecimento da funcionalidade cerebral.Introduction: The 3TMR-BrainPET scanner is an excellent tool to obtain an image derived input function (IDIF), due to PET/MRI simultaneous imaging. In this work, we investigated non-invasive methods to estimate an IDIF from volumes of interest (VOI) defined over the carotid arteries (CA) using the MR data. The MR information was used in the hybrid bilateral filter (HBF) and in three MR-based partial volume correction (PVC) methods (blood-free: recovery coefficient (tPV) and geometric transfer matrix (GTM); blood-based: model-based PVC). Material and methods: Synthetic data of a [18F]-FDG patient were used to evaluate the noise impact on the parameter estimation of the model-based PVC (partial volume PV and spillover SP). Monte Carlo GATE simulation data of a [18F]-FDG patient were used to evaluate the HBF and the PVC methods. Real data of a phantom and of five [18F]-FDG and three [18F]-FET scans, with venous blood samples at later times of the curve, and three [15O]-water scans, with arterial blood samples, were also used with the same goal. VOIs were drawn bilaterally over the CAs on an MPRAGE image (MR-VOI) and PET/MRI co-registration was evaluated. To estimate the IDIF, the MR-VOI average (IDIF-A), n hottest pixels per plane (IDIFnH) and n hottest pixels in VOI (IDIF-nV) were considered. Model-based PVC parameters, area under the curve and parametric images (cerebral metabolic rate for glucose and cerebral blood flow) were evaluated against blood samples. Results: An excellent PET/MRI CA co-registration was found. The HBF reduced the noise and partial volume effect (PVE), preserving the edges locally. The IDIF-nH is less influenced by PVE than IDIF-A resulting in a smaller PV, which is in accordance with the tPV. Results obtained with real data were in accordance with simulated data, where the best results (smallest AUC errors) where found with the model-based PVC. Conclusion: With the HBF the PVE and the spillover introduced by Gaussian filtering are reduced and at least the same SNR is achieved without deteriorating the resolution. The integration of a high resolution BrainPET in an MR scanner allows obtaining an IDIF from an MR-based VOI. The IDIF must be corrected for a residual partial volume effect

Comparison of Correction Techniques for the Spill in Effect in Emission Tomography

In positron emission tomography (PET) imaging, accurate clinical assessment is often affected by the partial volume effect (PVE) leading to overestimation (spill-in) or underestimation (spill-out) of activity in various small regions. The spill-in correction, in particular, can be very challenging when the target region is close to a hot background region. Therefore, this study evaluates and compares the performance of various recently developed spill-in correction techniques, namely: background correction (BC), local projection (LP), and hybrid kernelized (HKEM) methods. We used a simulated digital phantom and 18F-NaF PET data of three patients with abdominal aortic aneurysms (AAA) acquired with Siemens Biograph mMRTM and mCTTM scanners respectively. Region of Interest (ROI) analysis was performed and the extracted SUVmean, SUVmax and target-to-background ratio (TBR) scores were compared. Results showed substantial spill-in effects from hot regions to targeted regions, which are more prominent in small structures. The phantom experiment demonstrated the feasibility of spill-in correction with all methods. For the patient data, large differences in SUVmean, SUVmax and TBRmax scores were observed between the ROIs drawn over the entire aneurysm and ROIs excluding some regions close to the bone. Overall, BC yielded the best performance in spill-in correction in both phantom and patient studies

Variation in Quantitative Myocardial Perfusion Due to Arterial Input Selection

ObjectivesThis study compared the clinical implications of quantifying myocardial perfusion among different potential arterial input sites: the high (HAo) and basal (BAo) ascending aorta, descending aorta (DA), left atrium (LA), and left ventricular (LV) cavity.BackgroundAbsolute myocardial perfusion and its hyperemic reserve imaged by positron emission tomography (PET) can serve as noninvasive functional measures of physiologic severity. Quantitative myocardial perfusion by PET depends on the time–concentration of vascular activity, called arterial input (AI). However, arterial activity imaged by PET can vary among sites due to partial volume effects from anatomic size, cardiac or respiratory motion out of fixed regions of interest, and spillover from neighboring vascular structures.MethodsPatients underwent cardiac rubidium-82 PET imaging with flow quantification using various anatomic AI. After excluding sites with overt spillover or misregistration, we selected the customized, highest AI among the BAo, HAo, DA, and LA. Average whole heart flows and percent of LV with substantial definite ischemia were compared among sites.ResultsOf 288 cases, LA was selected in roughly half, with HAo in another quarter to one-third. Compared with using the customized AI, rest and stress absolute flow were higher by 5% to 10% for HAo, 14% for BAo, 19% to 23% for DA, and 46% to 49% for LV due to artifactually low AI values. The ratio of coronary flow reserve to its customized value was less affected, although its 95% confidence interval increased among AI locations: 7% for LA, 16% for HAo, 20% for BAo, 28% for DA, and 31% for LV.ConclusionsThe best customized site for AI activity varies for each patient among potential anatomic locations. Selection of the customized arterial site for each individual improved quantification of myocardial perfusion and coronary flow reserve with less variability compared with utilizing a single, pre-selected, fixed anatomic site

Image-derived input functions from dynamic O-15-water PET scans using penalised reconstruction

BACKGROUND: Quantitative positron emission tomography (PET) scans of the brain typically require arterial blood sampling but this is complicated and logistically challenging. One solution to remove the need for arterial blood sampling is the use of image-derived input functions (IDIFs). Obtaining accurate IDIFs, however, has proved to be challenging, mainly due to the limited resolution of PET. Here, we employ penalised reconstruction alongside iterative thresholding methods and simple partial volume correction methods to produce IDIFs from a single PET scan, and subsequently, compare these to blood-sampled input curves (BSIFs) as ground truth. Retrospectively we used data from sixteen subjects with two dynamic 15O-labelled water PET scans and continuous arterial blood sampling: one baseline scan and another post-administration of acetazolamide. RESULTS: IDIFs and BSIFs agreed well in terms of the area under the curve of input curves when comparing peaks, tails and peak-to-tail ratios with R2 values of 0.95, 0.70 and 0.76, respectively. Grey matter cerebral blood flow (CBF) values showed good agreement with an average difference between the BSIF and IDIF CBF values of 2% ± and a coefficient of variation (CoV) of 7.3%. CONCLUSION: Our results show promising results that a robust IDIF can be produced for dynamic 15O–water PET scans using only the dynamic PET scan images with no need for a corresponding MRI or complex analytical techniques and thereby making routine clinical use of quantitative CBF measurements with 15O–water feasible

Quantitative PET-CT Perfusion Imaging of Prostate Cancer

Functional imaging of 18F-Fluorocholine PET holds promise in the detection of dominant prostatic lesions. Quantitative parameters from PET-CT Perfusion may be capable of measuring choline kinase activity, which could assist in identification of the dominant prostatic lesion for more accurate targeting of biopsies and radiation dose escalation. The objectives of this thesis are: 1) investigate the feasibility of using venous TACs in quantitative graphical analysis, and 2) develop and test a quantitative PET-CT Perfusion imaging technique that shows promise for identifying dominant prostatic lesions. Chapter 2 describes the effect of venous dispersion on distribution volume measurements with the Logan Plot. The dispersion of venous PET curves was simulated based on the arterio-venous transit time spectrum measured in a perfusion CT study of the human forearm. The analysis showed good agreement between distribution volume measurements produced by the arterial and venous TACs. Chapter 3 details the mathematical implementation of a linearized solution of the 3-Compartment kinetic model for hybrid PET-CT Perfusion imaging. A noise simulation determined the effect of incorporating CT perfusion parameters into the PET model on the accuracy and variability of measurements of the choline kinase activity. Results indicated that inclusion of CT perfusion parameters known a priori can significantly improve the accuracy and variability of imaging parameters measured with PET. Chapter 4 presents the implementation of PET-CT Perfusion imaging in a xenograft mouse model of human prostate cancer. Image-derived arterial TACs from the left ventricle were corrected for partial volume and spillover effects and validated by comparing to blood sampled curves. The PET-CT Perfusion imaging technique produced parametric maps of the choline kinase activity, k3. The results showed that the partial volume and spillover corrected arterial TACs agreed well with the blood sampled curves, and that k3max was significantly correlated with tumor volume, while SUV was not. In summary, this thesis establishes a solid foundation for future clinical research into 18F-fluorocholine PET imaging for the identification of dominant prostatic lesions. Quantitative PET-CT Perfusion imaging shows promise for assisting targeting of biopsy and radiation dose escalation of prostate cancer