Direct estimation of kinetic parametric images for dynamic PET.

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

Smoothing dynamic positron emission tomography time courses using functional principal components

A functional smoothing approach to the analysis of PET time course data is presented. By borrowing information across space and accounting for this pooling through the use of a nonparametric covariate adjustment, it is possible to smooth the PET time course data thus reducing the noise. A new model for functional data analysis, the Multiplicative Nonparametric Random Effects Model, is introduced to more accurately account for the variation in the data. A locally adaptive bandwidth choice helps to determine the correct amount of smoothing at each time point. This preprocessing step to smooth the data then allows Subsequent analysis by methods Such as Spectral Analysis to be substantially improved in terms of their mean squared error

Towards an Efficient Gas Exchange Monitoring with Electrical Impedance Tomography - Optimization and validation of methods to investigate and understand pulmonary blood flow with indicator dilution

In vielen Fällen sind bei Patienten, die unter stark gestörtem Gasaustausch der Lunge leiden, die regionale Lungenventilation und die Perfusion nicht aufeinander abgestimmt. Besonders bei Patienten mit akutem Lungenversagen sind sehr heterogene räumliche Verteilungen von Belüftung und Perfusion der Lunge zu beobachten. Diese Patienten müssen auf der Intensivstation künstlich beatmet und überwacht werden, um einen ausreichenden Gasaustausch sicherzustellen. Bei schweren Lungenverletzungen ist es schwierig, durch die Anwendung hoher Beatmungsdrücke und -volumina eine optimale Balance zwischen dem Rekrutieren kollabierter Regionen zu finden, und gleichzeitig die Lunge vor weiterem Schaden durch die von außen angelegten Drücke zu schützen. Das Interesse für eine bettseitige Messung und Darstellung der regionalen Belüftungs- und Perfusionsverteilung für den Einsatz auf der Intensivstation ist in den letzten Jahren stark gestiegen, um eine lungenprotektive Beatmung zu ermöglichen und klinische Diagnosen zu vereinfachen. Die Elektrische-Impedanztomographie (EIT) ist ein nicht-invasives, strahlungsfreies und sehr mobil einsetzbares System. Es bietet eine hohe zeitliche Abtastung und eine funktionelle räumliche Auflösung, die es ermöglicht, dynamische (patho-) physiologische Prozesse zu visualisieren und zu überwachen. Die medizinische Forschung an EIT hat sich dabei hauptsächlich auf die Schätzung der räumlichen Belüftung konzentriert. Kommerziell erhältliche Systeme haben gezeigt, dass die EIT eine wertvolle Entscheidungshilfe während der mechanischen Beatmung darstellt. Allerdings ist die Abschätzung der pulmonalen Perfusion mit EIT noch nicht etabliert. Dies könnte das fehlende Glied sein, um die Analyse des pulmonalen Gasaustauschs am Krankenbett zu ermöglichen. Obwohl einige Publikationen die prinzipielle Machbarkeit der indikatorgestützten EIT zur Schätzung der räumlichen Verteilung des pulmonalen Blutflusses gezeigt haben, müssen diese Methoden optimiert und durch Vergleich mit dem Goldstandard des Lungenperfusions-Monitorings validiert werden. Darüber hinaus ist weitere Forschung notwendig, um zu verstehen welche physiologischen Informationen der EIT-Perfusionsschätzung zugrunde liegen. Mit der vorliegenden Arbeit soll die Frage beantwortet werden, ob bei der klinischen Anwendung von EIT neben der regionalen Belüftung auch räumliche Informationen des pulmonalen Blutflusses geschätzt werden können, um damit potenziell den pulmonalen Gasaustausch am Krankenbett beurteilen zu können. Die räumliche Verteilung der Perfusion wurde durch Bolusinjektion einer leitfähigen Kochsalzlösung als Indikator geschätzt, um die Verteilung des Indikators während seines Durchgangs durch das Gefäßsystem der Lunge zu verfolgen. Verschiedene dynamische EIT-Rekonstruktionsmethoden und Perfusionsparameter Schätzmethoden wurden entwickelt und verglichen, um den pulmonalen Blutfluss robust beurteilen zu können. Die geschätzten regionalen EIT-Perfusionsverteilungen wurden gegen Goldstandard Messverfahren der Lungenperfusion validiert. Eine erste Validierung wurde anhand von Daten einer tierexperimentellen Studie durchgeführt, bei der die Multidetektor-Computertomographie als vergleichende Lungenperfusionsmessung verwendet wurde. Darüber hinaus wurde im Rahmen dieser Arbeit eine umfassende präklinische Tierstudie durchgeführt, um die Lungenperfusion mit indikatorverstärkter EIT und Positronen-Emissions-Tomographie während mehrerer verschiedener experimenteller Zustände zu untersuchen. Neben einem gründlichen Methodenvergleich sollte die klinische Anwendbarkeit der indikatorgestützten EIT-Perfusionsmessung untersucht werden, indem wir vor allem die minimale Indikatorkonzentration analysierten, die eine robuste Perfusionsschätzung erlaubte und den geringsten Einfluss für den Patienten darstellt. Neben den experimentellen Validierungsstudien wurden zwei in-silico-Untersuchungen durchgeführt, um erstens die Sensitivität von EIT gegenüber des Durchgangs eines leitfähigen Indikators durch die Lunge vor stark heterogenem pulmonalen Hintergrund zu bewerten. Zweitens untersuchten wir die physiologischen Einflüsse, die zu den rekonstruierten EITPerfusionsbildern beitragen, um die Limitationen der Methode besser zu verstehen. Die Analysen zeigten, dass die Schätzung der Lungenperfusion auf der Basis der indikatorverstärkten EIT ein großes Potenzial für die Anwendung in der klinischen Praxis aufweist, da wir sie mit zwei Goldstandard-Perfusionsmesstechniken validieren konnten. Zudem konnten wertvolle Schlüsse über die physiologischen Einflüsse auf die geschätzten EIT Perfusionsverteilungen gezogen werden

Quantitative PET image reconstruction employing nested expectation-maximization deconvolution for motion compensation

Bulk body motion may randomly occur during PET acquisitions introducing blurring, attenuation-emission mismatches and, in dynamic PET, discontinuities in the measured time activity curves between consecutive frames. Meanwhile, dynamic PET scans are longer, thus increasing the probability of bulk motion. In this study, we propose a streamlined 3D PET motion-compensated image reconstruction (3D-MCIR) framework, capable of robustly deconvolving intra-frame motion from a static or dynamic 3D sinogram. The presented 3D-MCIR methods need not partition the data into multiple gates, such as 4D MCIR algorithms, or access list-mode (LM) data, such as LM MCIR methods, both associated with increased computation or memory resources. The proposed algorithms can support compensation for any periodic and non-periodic motion, such as cardio-respiratory or bulk motion, the latter including rolling, twisting or drifting. Inspired from the widely adopted point-spread function (PSF) deconvolution 3D PET reconstruction techniques, here we introduce an image-based 3D generalized motion deconvolution method within the standard 3D maximum-likelihood expectation-maximization (ML-EM) reconstruction framework. In particular, we initially integrate a motion blurring kernel, accounting for every tracked motion within a frame, as an additional MLEM modeling component in the image space (integrated 3D-MCIR). Subsequently, we replaced the integrated model component with a nested iterative Richardson-Lucy (RL) image-based deconvolution method to accelerate the MLEM algorithm convergence rate (RL-3D-MCIR). The final method was evaluated with realistic simulations of whole-body dynamic PET data employing the XCAT phantom and real human bulk motion profiles, the latter estimated from volunteer dynamic MRI scans. In addition, metabolic uptake rate Ki parametric images were generated with the standard Patlak method. Our results demonstrate significant improvement in contrast-to-noise ratio (CNR) and noise-bias performance in both dynamic and parametric images. The proposed nested RL-3D-MCIR method is implemented on the Software for Tomographic Image Reconstruction (STIR) open-source platform and is scheduled for public release