Improving resolution for the Siemens 3T MR-BrainPET

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2015A tomografia por emissão de positrões (acrónimo em inglês: PET) consiste numa técnica imagiológica não invasiva que permite obter informação in vivo sobre a distribuição espácio-temporal das moléculas. Antes da aquisição de imagem é necessário que um radiofármaco seja administrado ao paciente para que posteriormente este se distribua ao longo do corpo de acordo com a estrutura química e a fisiologia da pessoa. O PET é uma modalidade de imagem médica que se destaca pela aquisição de informação fisiológica. No entanto a informação anatómica fornecida por esta técnica é bastante escassa. Para contrariar esta limitação foi proposta a fusão do PET com outra modalidade que permitisse este tipo de informação: tomografia computorizada (acrónimo em inglês: CT) ou ressonância magnética nuclear (acrónimo em inglês: MRI). Inicialmente a fusão das duas imagens médicas não permitia a aquisição simultânea, baseando-se no co-registo das imagens adquiridas. Contudo, devido a vários erros causados pelas diferenças no posicionamento do paciente, foi proposto o desenvolvimento de sistemas híbridos que permitem a aquisição simultânea das diferentes imagens. Em 1998 foi proposto o primeiro sistema hídrico (com PET), PET/CT. Como técnicas de CT envolvem radiação ionizante e apresentam um reduzido contraste entre os tecidos moles, o PET/CT foi recentemente substituído por PET/MRI, permitindo a conjugação de informação molecular do PET com informação anatómica, funcional e estrutural da MRI. No entanto, esta fusão apresentou algumas dificuldades, como por exemplo os detetores e a eletrónica do PET serem sensíveis aos campos magnéticos da MRI. Entretanto foram desenvolvidos os fotodíodos de avalanche (acrónimo em inglês: APD) permitindo a construção dos sistemas híbridos PET/MRI. O BrainPET foi o primeiro sistema híbrido de PET/MRI, existindo apenas quatro scanners em todo o mundo. O scanner 3TMR-BrainPET, desenvolvido pela Siemens Medical Solution Inc., foi construído para imagiologia cerebral. Este scanner permite a aquisição de imagens PET com alta resolução (3 mm). Alguns exames médicos como o PET apresentam uma aquisição muito longa (aproximadamente 1 hora), tornando-se difícil para o paciente permanecer imóvel durante toda a aquisição. Por conseguinte, na maioria dos casos, o movimento torna-se inevitável, introduzindo artefactos na imagem e consequentemente degradando-a. Assim, torna-se fundamental corrigir este movimento para assegurar a qualidade ótima das imagens, oferecendo a perspetiva de melhorar o diagnóstico e o tratamento. Ao longo dos anos foram propostos diversos métodos de correção do movimento. Uns corrigem-no no domínio da imagem, corrigindo apenas o movimento entre as frames mas não o que ocorre dentro de cada uma delas, e outros no domínio dos eventos, em que a correção do movimento consegue ser mais precisa uma vez que é feita diretamente nos eventos adquiridos. No contexto PET/MRI, ambas as imagens, PET e MRI, podem ser utilizadas para estimar o movimento e posteriormente corrigi-lo. Nesta tese focar-nos-emos apenas na correção do movimento da cabeça que é considerado um movimento rígido e os parâmetros que o representam, três rotações e três translações de acordo com os três eixos Cartesianos (x, y e z), podem ser estimados utilizando algoritmos de registo de imagens. Este trabalho apresenta e testa um software de código aberto que dispõe desses algoritmos de dados multidimensionais, o Insight Toolkit (ITK), permitindo a estimação do movimento no domínio da imagem. O ITK já foi aplicado, com sucesso, em estudos de correções do movimento em modalidades técnicas de imagem, tanto para movimentos rígidos como deformáveis, que é o caso do movimento provocado pela respiração ou pelo batimento cardíaco. Relativamente à metodologia aplicada neste trabalho, inicialmente foram adquiridas imagens MPRAGE (imagens adquiridas com MRI) com o intuito de descobrir o alcance máximo do movimento da cabeça dentro das bobines do scanner. De seguida foram simulados quatro alcances diferentes: 1, 5, 10 e 30 de translação (mm) e de rotação (º) considerando os três eixos (x, y e z). Com o objetivo de testar a versatilidade do software, estas simulações foram realizadas em diversos tipos de imagens como, imagens clinicas, [18F]-FDG (imagem adquirida com PET) e EPI (imagem adquirida com MRI), e imagens de fantomas simulados, fantoma Utah e fantoma cerebral. Ao longo da dissertação foram realizados diversos estudos, como por exemplo, o estudo da influência da estatística de aquisição e do número de iterações do método de reconstrução de imagem na estimação do movimento. A estatística de aquisição influencia qualitativamente as imagens de PET, uma vez que quanto maior a estatística menor é o ruido. Ao mesmo tempo esta também é influenciada pelo número de iterações, visto que à medida que se aumenta o número de iterações o ruído da imagem aumenta, no entanto quando a imagem contém um número de iterações menor esta apresenta um bias maior. O ITK estima o movimento a partir de uma comparação de valores de intensidade das imagens, por conseguinte estas alterações qualitativas na imagem levam a diferentes estimações dos parâmetros do mesmo movimento simulado. Como um dos objetivos da tese consiste em verificar se o ITK pode ser utilizado para estimar o movimento no Instituto Forschungszentrum Juelich (FZJ), foram, adicionalmente, testadas imagens de cinco exames diferentes adquiridos rotineiramente no scanner 3TMR-BrainPET deste instituto. Em todas as imagens o movimento foi estimado utilizando o ITK. Este software apresenta um método iterativo para estimação do movimento. O ITK necessita de duas imagens de input, uma imagem fixa e uma imagem movida, enquanto o output deste software consiste em três translações e três rotações de acordo com os eixos cartesianos (transformada de Euler) que correspondem aos parâmetros do movimento rígido da cabeça. Ulteriormente, para corrigir esses movimentos, foram aplicadas transformadas inversas nas imagens afetadas pelo movimento. Estas transformadas podem ser aplicadas por outro programa, como por exemplo o PRESTO (PET REconstruction Software Toolkit), um software de reconstrução constituído por bibliotecas desenvolvidas em programação C++. Neste trabalho, utilizou-se o PRESTO para a aplicação das transformadas, na correção do movimento e na simulação dos fantomas e dos movimentos nas imagens. Atualmente o FZJ utiliza um software diferente do ITK para corrigir o movimento, o PMOD (PMOD Technologies Ltd, Zurique, Suíça). No entanto este apresenta algumas limitações, como por exemplo, o facto de ser um software comercial e este não poder ser incorporado no script de reconstrução, sendo necessário um processo adicional trabalhoso, ao contrário do ITK que permite que a correção do movimento seja feita automaticamente durante a reconstrução, corrigindo o movimento diretamente nas linhas de resposta (acrónimo em inglês: LORs). Adicionalmente o PMOD requer um utilizador com conhecimento prévio sobre o software para conseguir manuseá-lo. Para confirmar a viabilidade do ITK e verificar se este pode substituir o PMOD na correção do movimento no instituto, foi feita uma comparação entre os resultados dos dois software. Os resultados obtidos revelaram-se muito semelhantes, exceto quando se utiliza imagens de PET com baixa estatística ou imagens com grandes movimentos. Como as imagens sem correção de atenuação apresentam maior diferença de intensidades entre as fronteiras do objeto em estudo e o fundo da imagem, pensou-se na hipótese de os parâmetros do movimento obtidos pelo ITK ou pelo PMOD poderem apresentar erros menores utilizando imagens sem correção de atenuação. Ao mesmo tempo, como a correção do movimento atualmente no instituto está a ser realizada depois da reconstrução, um mapa de atenuação errado (mapa que não considera o movimento) está a ser aplicado à imagem. Neste sentido, o impacto do mapa de atenuação aplicado às imagens afetadas pelo movimento foi também estudado nesta dissertação. Os maiores erros foram encontrados quando se utilizou imagens sem correção de atenuação. Os bons resultados do PMOD revelaram-se mais dependentes da aplicação do mapa de atenuação correto. Em conclusão o ITK apresentou melhores resultados que o PMOD e a diferença entre as três imagens testadas pelo ITK não se revelou muito significativa. Com o objetivo de melhorar os resultados obtidos, três métricas diferentes do ITK (Mutual Information, Mean Squares e Normalized Correlation) foram comparadas entre si, aplicando diferentes imagens de PET e de MRI como input. Este teste mostrou que a métrica é um parâmetro altamente dependente do problema que se tenta resolver. A métrica mutual information é a melhor métrica para corrigir o movimento utilizando imagens de diferentes modalidades, enquanto a métrica normalized correlation é a melhor nos estudos com imagens da mesma modalidade. De acordo com todos os resultados obtidos, pode-se afirmar que o ITK é um método viável para a estimação dos parâmetros do movimento rígido e tem capacidades de substituir o PMOD. Esses parâmetros, posteriormente, podem ser utilizados para a correção do movimento no pós-processamento de imagens de PET ou MRI.The Siemens 3TMR-BrainPET scanner is a hybrid system which allows simultaneous acquisition of MRI and PET. There are medical exams that have long acquisition time and then it is inevitable introducing blurring in images. Therefore motion correction strategies are mandatory. In PET/MRI context, both PET and MRI images can be used for this purpose. Head motion is considered as rigid motion and the motion parameters can be estimated with image registration algorithms. In this thesis a software which has available these algorithms, Insight Toolkit (ITK), will be presented and tested. First MPRAGE images were acquired to check the maximum motion range inside the scanner head coil during acquisition. Therefore four motion ranges were simulated in translation and rotation with respect to the three Cartesian axes. Testing the software versatility, these simulations were realized in different images: simulated and clinical data. Several studies were made with these images e.g. the influence of statistics and number of iterations in motion estimation. Additionally images from five different exams performed in FZJ were also used. The motion was estimated by ITK. The ITK output is three translations and three rotations which correspond to the rigid motion parameters. Subsequently, to correct the motion, inverse transformations were applied in moved images. Actually FZJ uses other software, PMOD (PMOD Technologies Ltd, Zurich, Switzerland) to motion correction. For the purpose of confirm the viability of ITK and to verify if it can replace the PMOD, ITK results were compared with PMOD results. Other tests were made with the aim to improve the results such as study the impact of the attenuation map in motion estimation and the comparison between ITK results using three different metrics. According to results, ITK is a viable method of motion parameter estimation which can be used for PET or MRI post-processing motion correction

The Estimation and Correction of Rigid Motion in Helical Computed Tomography

X-ray CT is a tomographic imaging tool used in medicine and industry. Although technological developments have significantly improved the performance of CT systems, the accuracy of images produced by state-of-the-art scanners is still often limited by artefacts due to object motion. To tackle this problem, a number of motion estimation and compensation methods have been proposed. However, no methods with the demonstrated ability to correct for rigid motion in helical CT scans appear to exist. The primary aims of this thesis were to develop and evaluate effective methods for the estimation and correction of arbitrary six degree-of-freedom rigid motion in helical CT. As a first step, a method was developed to accurately estimate object motion during CT scanning with an optical tracking system, which provided sub-millimetre positional accuracy. Subsequently a motion correction method, which is analogous to a method previously developed for SPECT, was adapted to CT. The principle is to restore projection consistency by modifying the source-detector orbit in response to the measured object motion and reconstruct from the modified orbit with an iterative reconstruction algorithm. The feasibility of this method was demonstrated with a rapidly moving brain phantom, and the efficacy of correcting for a range of human head motions acquired from healthy volunteers was evaluated in simulations. The methods developed were found to provide accurate and artefact-free motion corrected images with most types of head motion likely to be encountered in clinical CT imaging, provided that the motion was accurately known. The method was also applied to CT data acquired on a hybrid PET/CT scanner demonstrating its versatility. Its clinical value may be significant by reducing the need for repeat scans (and repeat radiation doses), anesthesia and sedation in patient groups prone to motion, including young children

Improving Quantification in Lung PET/CT for the Evaluation of Disease Progression and Treatment Effectiveness

Positron Emission Tomography (PET) allows imaging of functional processes in vivo by measuring the distribution of an administered radiotracer. Whilst one of its main uses is directed towards lung cancer, there is an increased interest in diffuse lung diseases, for which the incidences rise every year, mainly due to environmental reasons and population ageing. However, PET acquisitions in the lung are particularly challenging due to several effects, including the inevitable cardiac and respiratory motion and the loss of spatial resolution due to low density, causing increased positron range. This thesis will focus on Idiopathic Pulmonary Fibrosis (IPF), a disease whose aetiology is poorly understood while patient survival is limited to a few years only. Contrary to lung tumours, this diffuse lung disease modifies the lung architecture more globally. The changes result in small structures with varying densities. Previous work has developed data analysis techniques addressing some of the challenges of imaging patients with IPF. However, robust reconstruction techniques are still necessary to obtain quantitative measures for such data, where it should be beneficial to exploit recent advances in PET scanner hardware such as Time of Flight (TOF) and respiratory motion monitoring. Firstly, positron range in the lung will be discussed, evaluating its effect in density-varying media, such as fibrotic lung. Secondly, the general effect of using incorrect attenuation data in lung PET reconstructions will be assessed. The study will compare TOF and non-TOF reconstructions and quantify the local and global artefacts created by data inconsistencies and respiratory motion. Then, motion compensation will be addressed by proposing a method which takes into account the changes of density and activity in the lungs during the respiration, via the estimation of the volume changes using the deformation fields. The method is evaluated on late time frame PET acquisitions using ¹⁸F-FDG where the radiotracer distribution has stabilised. It is then used as the basis for a method for motion compensation of the early time frames (starting with the administration of the radiotracer), leading to a technique that could be used for motion compensation of kinetic measures. Preliminary results are provided for kinetic parameters extracted from short dynamic data using ¹⁸F-FDG

Dual gated PET/CT imaging of heart

Coronary artery disease (CAD) resulting from atherosclerotic arterial changes, plaques, is a progressive process, which can be asymptomatic for many years. Asymptomatic CAD can cause a heart attack that leads to sudden death if the vulnerable coronary plaque ruptures and causes artery occlusion. The plaque inflammation plays an important role in the rupture susceptibility. Reliable anticipation of rupture is still clinically impossible for a single patient. Detection of the vulnerable coronary plaques before clinical signs remains a significant scientific challenge where positron emission tomography (PET) can play an important role. The aim of this dissertation was to find out whether a small, coronary plaque size, heart structures could be detected by a clinically available positron emission tomography and computed tomography (PET/CT) hybrid camera in realistically moving cardiac phantoms, a minipig model, and patients with CAD. Due to cardiac motions accurate detection of small heart structures are known to be problematic in PET imaging. Due to absence of commercial application at the beginning of the study, new dual gating method for cardiac PET imaging was developed and programmed that takes into account both contraction and respiratory induced cardiac motions. Cardiac phantom PET studies showed that small, active and moving plaques can be distinguished from myocardium activity and the gating methods improved the detection sensitivity and resolution of the plaques. In minipig and CAD patient cardiac PET studies small structures of myocardium and coronary arteries was detected more sensitive and accurately when using dual gating method than manufacturer gating methods. In cardiac patient PET study respiratory induced cardiac motions were shown to be linearly dependent with spirometry-measured respiratory volumes. Standard 3-lead electrocardiogram (ECG) measurement can be filtered by anesthesia monitor to detect lung impedance signal. In cardiac patient PET study this lung impedance signal were applied for respiratory gating. In this study was observed that the 3-lead ECG derived impedance signal gating method detects respiratory induced cardiac motion in PET as well as other externally used respiratory gating methods. In summary, the dual gated cardiac PET method is more sensitive and accurate to detect small cardiac structures, as coronary vessel wall pathology, than the commercial methods used in the study.Sydämen kaksoisliiketahdistettu PET/CT kuvantaminen Ateroskleroottisten valtimomuutosten, plakkien, seurauksena asteittain kehittyvä sepelvaltimotauti voi olla vuosia oireeton. Oireeton sepelvaltimotauti voi aiheuttaa äkkikuolemaan johtavan sydäninfarktin, mikäli sepelvaltimon seinämäplakin repeytymisestä aiheutuu verisuonen tukkiva hyytymä. Tutkimuksissa on osoitettu, että plakin tulehduksella on merkittävä rooli repeytymisalttiudelle. Repeytymisen luotettava ennakointi on yksittäisen potilaan kohdalla edelleen kliinisesti mahdotonta. Tulehtuneiden ja repeytymisalttiiden sepelvaltimoplakkien toteaminen ennen kliinisiä oireita on edelleen merkittävä tieteellinen haaste, missä positroniemissiotomografia (PET) kuvantamisella voi olla merkittävä rooli. Väitöskirjan tavoitteena oli selvittää, voidaanko kliinisessä käytössä olevalla positroniemissiotomografia ja tietokonetomografia (PET/TT) yhdistelmäkameralla havaita pieniä, sepelvaltimoplakkien kokoisia, sydämen rakenteita koneellisesti toimivissa todenmukaisissa sydänmalleissa, eläinmallissa ja sepelvaltimotautia sairastavilla potilailla. Sydämen pienten rakenteiden tarkka havaitseminen PET/TTkameroilla on haasteellista sydämen liikkumisen vuoksi. Tutkimuksessa kehitettiin ja ohjelmoitiin uusi sydämen PET-kuvantamisen liiketahdistusmenetelmä, joka ottaa huomioon sekä sydämen supistusliikkeen että hengitysliikkeen vaikutuksen sydämen PET kuvantamissa. Koneellisilla sydänmalleilla osoitettiin, että PET on riittävän herkkä havaitsemaan pieniä ja liikkuvia radioaktiivisia ”sepelvaltimoplakkeja”, ja että liiketahdistusmenetelmät parantavat plakkien havaitsemisherkkyyttä ja tarkkuutta. Eläinmallissa ja sepelvaltimotautipotilailla kaksoisliiketahdistusmenetelmän herkkyys ja tarkkuus havaita pieniä sydänlihaksen ja sepelvaltimoiden rakenteita todettiin kaupallisia tahdistusmenetelmiä paremmaksi. Potilastutkimuksissa todettiin hengityksen aiheuttama sydämen liike PET-kuvissa lineaarisesti riippuvaiseksi spirometrialla mitattujen hengitystilavuuksien kanssa. Tavallisesta 3-johtoisesta sydänsähkökäyrästä voidaan anestesiamonitorin avulla suodattaa keuhkojen impedanssisignaalia. Hengitysliikkeen aiheuttama potilaiden sydämen liike PETkuvissa havaittiin yhtä hyvin käyttämällä tätä keuhkojen impedanssisignaalia kuin muita yleisesti käytettäviä ulkoisia hengitystahdistussignaaleja. Todetaan, että kaksoisliiketahdistettu sydämen PET-kuvantamismenetelmä on tutkimuksessa käytettyjä kaupallisia menetelmiä herkempi ja tarkempi havaitsemaan sydämen pieniä rakenteita sekä sepelvaltimon seinämän tulehdusplakkeja

Developments in PET-MRI for Radiotherapy Planning Applications

The hybridization of magnetic resonance imaging (MRI) and positron emission tomography (PET) provides the benefit of soft-tissue contrast and specific molecular information in a simultaneous acquisition. The applications of PET-MRI in radiotherapy are only starting to be realised. However, quantitative accuracy of PET relies on accurate attenuation correction (AC) of, not only the patient anatomy but also MRI hardware and current methods, which are prone to artefacts caused by dense materials. Quantitative accuracy of PET also relies on full characterization of patient motion during the scan. The simultaneity of PET-MRI makes it especially suited for motion correction. However, quality assurance (QA) procedures for such corrections are lacking. Therefore, a dynamic phantom that is PET and MR compatible is required. Additionally, respiratory motion characterization is needed for conformal radiotherapy of lung. 4D-CT can provide 3D motion characterization but suffers from poor soft-tissue contrast. In this thesis, I examine these problems, and present solutions in the form of improved MR-hardware AC techniques, a PET/MRI/CT-compatible tumour respiratory motion phantom for QA measurements, and a retrospective 4D-PET-MRI technique to characterise respiratory motion. Chapter 2 presents two techniques to improve upon current AC methods that use a standard helical CT scan for MRI hardware in PET-MRI. One technique uses a dual-energy computed tomography (DECT) scan to construct virtual monoenergetic image volumes and the other uses a tomotherapy linear accelerator to create CT images at megavoltage energies (1.0 MV) of the RF coil. The DECT-based technique reduced artefacts in the images translating to improved μ-maps. The MVCT-based technique provided further improvements in artefact reduction, resulting in artefact free μ-maps. This led to more AC of the breast coil. In chapter 3, I present a PET-MR-CT motion phantom for QA of motion-correction protocols. This phantom is used to evaluate a clinically available real-time dynamic MR images and a respiratory-triggered PET-MRI protocol. The results show the protocol to perform well under motion conditions. Additionally, the phantom provided a good model for performing QA of respiratory-triggered PET-MRI. Chapter 4 presents a 4D-PET/MRI technique, using MR sequences and PET acquisition methods currently available on hybrid PET/MRI systems. This technique is validated using the motion phantom presented in chapter 3 with three motion profiles. I conclude that our 4D-PET-MRI technique provides information to characterise tumour respiratory motion while using a clinically available pulse sequence and PET acquisition method

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

A framework for continuous target tracking during MR-guided high intensity focused ultrasound thermal ablations in the abdomen

Scatterplot showing percentage changes in stroke volume index (ΔSVI, %) and functional hemodynamic markers, Stroke Volume Variation (SVV, %) Pulse Pressure Variation (PPV, %), with the three tested tidal volumes (V T ), 6, 12 and 18 ml/kg during intra-abdominal hypertension. Solid line shows regression line between variables. (PDF 56 kb