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    Direct estimation of kinetic parametric images for dynamic PET.

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    Dynamic positron emission tomography (PET) can monitor spatiotemporal distribution of radiotracer in vivo. The spatiotemporal information can be used to estimate parametric images of radiotracer kinetics that are of physiological and biochemical interests. Direct estimation of parametric images from raw projection data allows accurate noise modeling and has been shown to offer better image quality than conventional indirect methods, which reconstruct a sequence of PET images first and then perform tracer kinetic modeling pixel-by-pixel. Direct reconstruction of parametric images has gained increasing interests with the advances in computing hardware. Many direct reconstruction algorithms have been developed for different kinetic models. In this paper we review the recent progress in the development of direct reconstruction algorithms for parametric image estimation. Algorithms for linear and nonlinear kinetic models are described and their properties are discussed

    Development of methods for time efficient scatter correction and improved attenuation correction in time-of-flight PET/MR

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    In der vorliegenden Dissertation wurden zwei fortdauernde Probleme der Bildrekonstruktion in der time-of-flight (TOF) PET bearbeitet: Beschleunigung der TOF-Streukorrektur sowie Verbesserung der emissionsbasierten Schwächungskorrektur. Aufgrund der fehlenden Möglichkeit, die Photonenabschwächung direkt zu messen, ist eine Verbesserung der Schwächungskorrektur durch eine gemeinsame Rekonstruktion der Aktivitäts- und Schwächungskoeffizienten-Verteilung mittels der MLAA-Methode von besonderer Bedeutung für die PET/MRT, während eine Beschleunigung der TOF-Streukorrektur gleichermaßen auch für TOF-fähige PET/CT-Systeme relevant ist. Für das Erreichen dieser Ziele wurde in einem ersten Schritt die hochauflösende PET-Bildrekonstruktion THOR, die bereits zuvor in unserer Gruppe entwickelt wurde, angepasst, um die TOF-Information nutzen zu können, welche von allen modernen PET-Systemen zur Verfügung gestellt wird. Die Nutzung der TOF-Information in der Bildrekonstruktion führt zu reduziertem Bildrauschen und zu einer verbesserten Konvergenzgeschwindigkeit. Basierend auf diesen Anpassungen werden in der vorliegenden Arbeit neue Entwicklungen für eine Verbesserung der TOF-Streukorrektur und der MLAA-Rekonstruktion beschrieben. Es werden sodann Ergebnisse vorgestellt, welche mit den neuen Algorithmen am Philips Ingenuity PET/MRT-Gerät erzielt wurden, das gemeinsam vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und dem Universitätsklinikum betrieben wird. Eine wesentliche Voraussetzung für eine quantitative TOF-Bildrekonstruktionen ist eine Streukorrektur, welche die TOF-Information mit einbezieht. Die derzeit übliche Referenzmethode hierfür ist eine TOF-Erweiterung des single scatter simulation Ansatzes (TOF-SSS). Diese Methode wurde im Rahmen der TOF-Erweiterung von THOR implementiert. Der größte Nachteil der TOF-SSS ist eine 3–7-fach erhöhte Rechenzeit für die Berechnung der Streuschätzung im Vergleich zur non-TOF-SSS, wodurch die Bildrekonstruktionsdauer deutlich erhöht wird. Um dieses Problem zu beheben, wurde eine neue, schnellere TOF-Streukorrektur (ISA) entwickelt und implementiert. Es konnte gezeigt werden, dass dieser neue Algorithmus eine brauchbare Alternative zur TOF-SSS darstellt, welche die Rechenzeit auf ein Fünftel reduziert, wobei mithilfe von ISA und TOF-SSS rekonstruierte Schnittbilder quantitativ ausgezeichnet übereinstimmen. Die Gesamtrekonstruktionszeit konnte mithilfe ISA bei Ganzkörperuntersuchungen insgesamt um den Faktor Zwei reduziert werden. Dies kann als maßgeblicher Fortschritt betrachtet werden, speziell im Hinblick auf die Nutzung fortgeschrittener Bildrekonstruktionsverfahren im klinischen Umfeld. Das zweite große Thema dieser Arbeit ist ein Beitrag zur verbesserten Schwächungskorrektur in der PET/MRT mittels MLAA-Rekonstruktion. Hierfür ist zunächst eine genaue Kenntnis der tatsächlichen Zeitauflösung in der betrachten PET-Aufnahme zwingend notwendig. Da die vom Hersteller zur Verfügung gestellten Zahlen nicht immer verlässlich sind und zudem die Zählratenabhängigkeit nicht berücksichtigen, wurde ein neuer Algorithmus entwickelt und implementiert, um die Zeitauflösung in Abhängigkeit von der Zählrate zu bestimmen. Dieser Algorithmus (MLRES) basiert auf dem maximum likelihood Prinzip und erlaubt es, die funktionale Abhängigkeit der Zeitauflösung des Philips Ingenuity PET/MRT von der Zählrate zu bestimmen. In der vorliegenden Arbeit konnte insbesondere gezeigt werden, dass sich die Zeitauflösung des Ingenuity PET/MRT im klinisch relevanten Zählratenbereich um mehr als 250 ps gegenüber der vom Hersteller genannten Auflösung von 550 ps verschlechtern kann, welche tatsächlich nur bei extrem niedrigen Zählraten erreicht wird. Basierend auf den oben beschrieben Entwicklungen konnte MLAA in THOR integriert werden. Die MLAA-Implementierung erlaubt die Generierung realistischer patientenspezifischer Schwächungsbilder. Es konnte insbesondere gezeigt werden, dass auch Knochen und Hohlräume korrekt identifiziert werden, was mittels MRT-basierter Schwächungskorrektur sehr schwierig oder sogar unmöglich ist. Zudem konnten wir bestätigen, dass es mit MLAA möglich ist, metallbedingte Artefakte zu reduzieren, die ansonsten in den MRT-basierten Schwächungsbildern immer zu finden sind. Eine detaillierte Analyse der Ergebnisse zeigte allerdings verbleibende Probleme bezüglich der globalen Skalierung und des lokalen Übersprechens zwischen Aktivitäts- und Schwächungsschätzung auf. Daher werden zusätzliche Entwicklungen erforderlich sein, um auch diese Defizite zu beheben.The present work addresses two persistent issues of image reconstruction for time-of-flight (TOF) PET: acceleration of TOF scatter correction and improvement of emission-based attenuation correction. Due to the missing capability to measure photon attenuation directly, improving attenuation correction by joint reconstruction of the activity and attenuation coefficient distribution using the MLAA technique is of special relevance for PET/MR while accelerating TOF scatter correction is of equal importance for TOF-capable PET/CT systems as well. To achieve the stated goals, in a first step the high-resolution PET image reconstruction THOR, previously developed in our group, was adapted to take advantage of the TOF information delivered by state-of-the-art PET systems. TOF-aware image reconstruction reduces image noise and improves convergence rate both of which is highly desirable. Based on these adaptations, this thesis describes new developments for improvement of TOF scatter correction and MLAA reconstruction and reports results obtained with the new algorithms on the Philips Ingenuity PET/MR jointly operated by the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) and the University Hospital. A crucial requirement for quantitative TOF image reconstruction is TOF-aware scatter correction. The currently accepted reference method — the TOF extension of the single scatter simulation approach (TOF-SSS) — was implemented as part of the TOF-related modifications of THOR. The major drawback of TOF-SSS is a 3–7 fold increase in computation time required for the scatter estimation, compared to regular SSS, which in turn does lead to a considerable image reconstruction slowdown. This problem was addressed by development and implementation of a novel accelerated TOF scatter correction algorithm called ISA. This new algorithm proved to be a viable alternative to TOF-SSS and speeds up scatter correction by a factor of up to five in comparison to TOF-SSS. Images reconstructed using ISA are in excellent quantitative agreement with those obtained when using TOF-SSS while overall reconstruction time is reduced by a factor of two in whole-body investigations. This can be considered a major achievement especially with regard to the use of advanced image reconstruction in a clinical context. The second major topic of this thesis is contribution to improved attenuation correction in PET/MR by utilization of MLAA reconstruction. First of all, knowledge of the actual time resolution operational in the considered PET scan is mandatory for a viable MLAA implementation. Since vendor-provided figures regarding the time resolution are not necessarily reliable and do not cover count-rate dependent effects at all, a new algorithm was developed and implemented to determine the time resolution as a function of count rate. This algorithm (MLRES) is based on the maximum likelihood principle and allows to determine the functional dependency of the time resolution of the Philips Ingenuity PET/MR on the given count rate and to integrate this information into THOR. Notably, the present work proves that the time resolution of the Ingenuity PET/MR can degrade by more than 250 ps for the clinically relevant range of count rates in comparison to the vendor-provided figure of 550 ps which is only realized in the limit of extremely low count rates. Based on the previously described developments, MLAA could be integrated into THOR. The performed list-mode MLAA implementation is capable of deriving realistic, patient-specific attenuation maps. Especially, correct identification of osseous structures and air cavities could be demonstrated which is very difficult or even impossible with MR-based approaches to attenuation correction. Moreover, we have confirmed that MLAA is capable of reducing metal-induced artifacts which are otherwise present in MR-based attenuation maps. However, the detailed analysis of the obtained MLAA results revealed remaining problems regarding stability of global scaling as well as local cross-talk between activity and attenuation estimates. Therefore, further work beyond the scope of the present work will be necessary to address these remaining issues

    Advances in Clinical Molecular Imaging Instrumentation

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    In this article, we describe recent developments in the design of both single-photon emission computed tomography (SPECT) and positron emission tomography (PET) instrumentation that have led to the current range of superior performance instruments. The adoption of solid-state technology for either complete detectors [e.g., cadmium zinc telluride (CZT)] or read-out systems that replace photomultiplier tubes [avalanche photodiodes (APD) or silicon photomultipliers (SiPM)] provide the advantage of compact technology, enabling flexible system design. In SPECT, CZT is well suited to multi-radionuclide and kinetic studies. For PET, SiPM technology provides MR compatibility and superior time-of-flight resolution, resulting in improved signal-to-noise ratio. Similar SiPM technology has also been used in the construction of the first SPECT insert for clinical brain SPECT/MRI

    Artificial Intelligence in PET: An Industry Perspective

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    Artificial intelligence (AI) has significant potential to positively impact and advance medical imaging, including positron emission tomography (PET) imaging applications. AI has the ability to enhance and optimize all aspects of the PET imaging chain from patient scheduling, patient setup, protocoling, data acquisition, detector signal processing, reconstruction, image processing, and interpretation. AI poses industry-specific challenges which will need to be addressed and overcome to maximize the future potentials of AI in PET. This article provides an overview of these industry-specific challenges for the development, standardization, commercialization, and clinical adoption of AI and explores the potential enhancements to PET imaging brought on by AI in the near future. In particular, the combination of on-demand image reconstruction, AI, and custom-designed data-processing workflows may open new possibilities for innovation which would positively impact the industry and ultimately patients

    Improving the Accuracy of CT-derived Attenuation Correction in Respiratory-Gated PET/CT Imaging

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    The effect of respiratory motion on attenuation correction in Fludeoxyglucose (18F) positron emission tomography (FDG-PET) was investigated. Improvements to the accuracy of computed tomography (CT) derived attenuation correction were obtained through the alignment of the attenuation map to each emission image in a respiratory gated PET scan. Attenuation misalignment leads to artefacts in the reconstructed PET image and several methods were devised for evaluating the attenuation inaccuracies caused by this. These methods of evaluation were extended to finding the frame in the respiratory gated PET which best matched the CT. This frame was then used as a reference frame in mono-modality compensation for misalignment. Attenuation correction was found to affect the quantification of tumour volumes; thus a regional analysis was used to evaluate the impact of mismatch and the benefits of compensating for misalignment. Deformable image registration was used to compensate for misalignment, however, there were inaccuracies caused by the poor signal-to-noise ratio (SNR) in PET images. Two models were developed that were robust to a poor SNR allowing for the estimation of deformation from very noisy images. Firstly, a cross population model was developed by statistically analysing the respiratory motion in 10 4DCT scans. Secondly, a 1D model of respiration was developed based on the physiological function of respiration. The 1D approach correctly modelled the expansion and contraction of the lungs and the differences in the compressibility of lungs and surrounding tissues. Several additional models were considered but were ruled out based on their poor goodness of fit to 4DCT scans. Approaches to evaluating the developed models were also used to assist with optimising for the most accurate attenuation correction. It was found that the multimodality registration of the CT image to the PET image was the most accurate approach to compensating for attenuation correction mismatch. Mono-modality image registration was found to be the least accurate approach, however, incorporating a motion model improved the accuracy of image registration. The significance of these findings is twofold. Firstly, it was found that motion models are required to improve the accuracy in compensating for attenuation correction mismatch and secondly, a validation method was found for comparing approaches to compensating for attenuation mismatch

    Transmission-based attenuation correction for time-of-flight positron emission tomography

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    Positronemissietomografie (PET) is een beeldvormingstechniek binnen de nucleaire geneeskunde waarbij met behulp van een radioactieve speurstof fysiologische processen in het lichaam in beeld gebracht worden. De techniek speelt een belangrijke rol in de diagnose van verschillende aandoeningen. Het verkrijgen van kwantitatieve PET beelden wordt echter bemoeilijkt door een aantal fysische effecten. Eén van de voornaamste effecten is de attenuatie van de fotonen uitgezonden door de speurstof. Om hiervoor te corrigeren, dient de verdeling van attenuatiecoëfficiënten binnen het beeldvolume gekend te zijn. PET beeldvorming is gedurende de laatste tien jaar geëvolueerd tot multimodale beeldvorming, waarbij functionele PET gecombineerd wordt met magnetische resonantiebeeldvorming (MRI). Het corrigeren voor attenuatie in een PET/MRI-studie is echter niet zo eenvoudig aangezien er geen rechtstreeks verband bestaat tussen de MRI-signalen en de attenuatiecoëfficiënten van weefsels. In dit onderzoek werd een nieuwe MR-compatibele methode ontwikkeld om de verdeling van de attenuatiecoëfficiënten van weefsels in een 'Time-Of-Flight' (TOF) PET-opname te bepalen. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van een transmissiebron die binnen het beeldvolume wordt gebracht. Tevens laat de TOF-informatie toe de transmissie- en emissiedata simultaan op te meten. De methode werd getest met een simulatie-studie, experimentele studies en humane beeldvorming

    Dose volume histogram‐based optimization of image reconstruction parameters for quantitative 90Y‐PET imaging

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    Peer Reviewedhttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/147185/1/mp13269.pdfhttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/147185/2/mp13269_am.pd
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