Clinically Valuable Quality Control for PET/MRI Systems:Consensus Recommendation From the HYBRID Consortium

International audienceQuality control (QC) of medical imaging devices is essential to ensure their proper function and to gain accurate and quantitative results. Therefore, several international bodies have published QC guidelines and recommendations for a wide range of imaging modalities to ensure adequate performance of the systems. Hybrid imaging systems such as positron emission tomography/computed tomography (PET/CT) or PET/magnetic resonance imaging (PET/MRI), in particular, present additional challenges caused by differences between the combined modalities. However, despite the increasing use of this hybrid imaging modality in recent years, there are no dedicated QC recommendations for PET/MRI. Therefore, this work aims at collecting information on QC procedures across a European PET/MRI network, presenting quality assurance procedures implemented by PET/MRI vendors and achieving a consensus on PET/MRI QC procedures across imaging centers. Users of PET/MRI systems at partner sites involved in the HYBRID consortium were surveyed about local frequencies of QC procedures for PET/MRI. Although all sites indicated that they perform vendor-specific daily QC procedures, significant variations across the centers were observed for other QC tests and testing frequencies. Likewise, variations in available recommendations and guidelines and the QC procedures implemented by vendors were found. Based on the available information and our clinical expertise within this consortium, we were able to propose a minimum set of PET/MRI QC recommendations including the daily QC, cross-calibration tests, and an image quality (IQ) assessment for PET and coil checks and MR image quality tests for MRI. Together with regular checks of the PET-MRI alignment, proper PET/MRI performance can be ensured

Modélisation et reconstruction de cartes paramétriques corps-entier en imagerie pharmacologique TEP-IRM

Positron Emission Tomography (PET) is used extensively for clinical applications, with the majority of practices relying on qualitative and semi-quantitative measures. But PET imaging has the ability to deliver fully quantitative functional information of underlying imaged processes by use of dynamic imaging and modelling. That unique quantitative information can be utilised as biomarkers for clinical applications, with special focus on precision medicine. Multiple bed position protocols for dynamic whole-body (DWB) imaging have been developed to extend the effective FOV, at the cost of considerable limitations in acquisition counts and sampling frequency. The objective of this thesis is to improve the quality of whole body parametric imaging for DWB imaging applications on a hybrid PET/MR scanner. In our first contribution we presented the development of a fully automated protocol for DWB imaging on a clinical PET/MR system, which resulted in reduced delays during acquisition that translate to increased acquisition counts and sampling frequency. Use of full automation enabled optimized planning of individual bed positions, making best use of the effective FOV. For the second contribution we developed dynamic reconstruction algorithms within an existing open source reconstruction software, and evaluated on benefits offered by use of various dynamic models in reconstruction on simulated and real PET dynamic data. Results agreed with previous findings on the use of dynamic reconstruction. In the particular case of DWB imaging dynamic reconstruction showed desirable properties for whole-body parametric image accuracy and precision, while providing images of comparable image noise to regular single bed dynamic protocols processed with regular reconstruction techniques. In our third contribution we present an extension of the developed functionalities on reconstruction software for direct multi-bed dynamic reconstruction of DWB data. This methodology enables the synchronous use of all DWB acquisition data within a single reconstruction loop. The method was applied on a DWB pharmacokinetic study performed on a clinical PET/MR system and comparison was made with regular frame static reconstructions followed by post reconstruction parametric modelling. The results between the two methods were in good agreement, with no introduction of bias on the evaluated metrics. Furthermore, the use of dynamic reconstruction resulted in noticeable noise reduction in the activity and parametric images. In this application a modelling error correction method using adaptive residual modelling was also applied and evaluated, which showed promising results in reducing modelling errors and error propagation while also allowing for genericity in the use of dynamic reconstruction algorithms. Overall, our findings showed that dynamic reconstruction is necessary in DWB parametric imaging to achieve accurate and stable quantification. Many methods have been proposed in this project that showed how reconstruction can be optimised for multi-bed DWB imaging, by making best use of all dynamic and bed PET raw data in the reconstruction process. But before widespread use of dynamic reconstruction some methodological improvements need to be addressed further to guarantee artefact free and reliable parametric imaging. Most notably there is need for accurate estimation of underlying complex elastic motion in the dynamic datasets, followed by the correction of these motion types within the dynamic reconstruction process.La tomographie par émission de positons (TEP) est fréquemment utilisée pour des applications cliniques, avec une majorité des pratiques reposant sur des mesures qualitatives et semi-quantitatives. Mais l'imagerie TEP a la capacité de fournir des informations fonctionnelles entièrement quantitatives sur les processus sous-jacents explorés, grâce à l'imagerie dynamique et à la modélisation cinétique. Ces informations quantitatives peuvent être utilisées comme biomarqueurs pour des applications cliniques, en particulier pour la médecine de précision. Des protocoles avec des positions du lit multiples, dédiés à l'imagerie dynamique du corps entier (DWB), ont été développés afin étendre le champ de vue effectif, au prix de restrictions dans le nombre d'acquisitions et la fréquence d'échantillonnage. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la qualité de l'imagerie paramétrique du corps entier pour les applications d'imagerie DWB sur un système hybride TEP-IRM. Dans notre première contribution, nous avons présenté le développement d'un protocole entièrement automatisé pour l'imagerie DWB sur un système TEP-IRM clinique, qui a permis de réduire les délais d'acquisition, ce qui se traduit par une augmentation du nombre d'acquisitions et de la fréquence d'échantillonnage. Le recours à l'automatisation complète a permis d'optimiser la planification des positions individuelles des lits, en utilisant au mieux le champ de vue effectif. Pour la deuxième contribution, nous avons développé des algorithmes de reconstruction dynamique dans un logiciel ouvert, et évalué les avantages offerts par l'utilisation de divers modèles cinétiques dans la reconstruction de données TEP dynamiques simulées et réelles. Nos résultats sont en accord avec les conclusions d’études antérieures sur l'utilisation de la reconstruction dynamique. Dans notre cas particulier de l'imagerie DWB, la reconstruction dynamique a montré des propriétés favorables pour l'exactitude et la précision des images paramétriques du corps entier, tout en fournissant des images dont le bruit est comparable à celui des protocoles dynamiques standards à position de lit unique, reconstruits avec des techniques ordinaires. Dans notre troisième contribution, nous présentons une extension des fonctionnalités développées précédemment : la reconstruction dynamique simultanée de toutes les données multi-lits. Cette méthodologie permet l'utilisation synchrone de toutes les données d'acquisition DWB dans une seule boucle de reconstruction. La méthode a été appliquée à une étude pharmacocinétique DWB réalisée sur un système TEP-IRM clinique. Une comparaison a été faite avec des reconstructions statiques standards suivies d'une modélisation cinétique post reconstruction. Les résultats obtenus avec les deux méthodes étaient en bon accord, sans introduction de biais sur les métriques évaluées. En outre, l'utilisation de la reconstruction dynamique a entraîné une réduction notable du bruit dans les images d’émission et paramétriques. En outre, une méthode de détection et de correction des erreurs de modélisation utilisant la modélisation résiduelle adaptative a été appliquée et évaluée. Elle a montré des résultats prometteurs pour la réduction des erreurs de modélisation et leur propagation, tout en permettant la généricité dans l'utilisation des algorithmes de reconstruction dynamique. Nos résultats ont montré que la reconstruction dynamique est nécessaire en imagerie paramétrique corps-entier pour obtenir une quantification précise et stable. De nombreuses méthodes ont été proposées dans ce projet afin d’optimiser le processus de reconstruction TEP pour l'imagerie DWB, en utilisant au mieux les données dynamiques acquises sur plusieurs positions de lit. Pour généraliser son utilisation, certaines améliorations méthodologiques doivent encore être apportées pour garantir une imagerie paramétrique fiable et sans artefact, notamment en ce qui concerne les mouvements du patient

Modélisation et reconstruction de cartes paramétriques corps-entier en imagerie pharmacologique TEP-IRM

Positron Emission Tomography (PET) is used extensively for clinical applications, with the majority of practices relying on qualitative and semi-quantitative measures. But PET imaging has the ability to deliver fully quantitative functional information of underlying imaged processes by use of dynamic imaging and modelling. That unique quantitative information can be utilised as biomarkers for clinical applications, with special focus on precision medicine. Multiple bed position protocols for dynamic whole-body (DWB) imaging have been developed to extend the effective FOV, at the cost of considerable limitations in acquisition counts and sampling frequency. The objective of this thesis is to improve the quality of whole body parametric imaging for DWB imaging applications on a hybrid PET/MR scanner. In our first contribution we presented the development of a fully automated protocol for DWB imaging on a clinical PET/MR system, which resulted in reduced delays during acquisition that translate to increased acquisition counts and sampling frequency. Use of full automation enabled optimized planning of individual bed positions, making best use of the effective FOV. For the second contribution we developed dynamic reconstruction algorithms within an existing open source reconstruction software, and evaluated on benefits offered by use of various dynamic models in reconstruction on simulated and real PET dynamic data. Results agreed with previous findings on the use of dynamic reconstruction. In the particular case of DWB imaging dynamic reconstruction showed desirable properties for whole-body parametric image accuracy and precision, while providing images of comparable image noise to regular single bed dynamic protocols processed with regular reconstruction techniques. In our third contribution we present an extension of the developed functionalities on reconstruction software for direct multi-bed dynamic reconstruction of DWB data. This methodology enables the synchronous use of all DWB acquisition data within a single reconstruction loop. The method was applied on a DWB pharmacokinetic study performed on a clinical PET/MR system and comparison was made with regular frame static reconstructions followed by post reconstruction parametric modelling. The results between the two methods were in good agreement, with no introduction of bias on the evaluated metrics. Furthermore, the use of dynamic reconstruction resulted in noticeable noise reduction in the activity and parametric images. In this application a modelling error correction method using adaptive residual modelling was also applied and evaluated, which showed promising results in reducing modelling errors and error propagation while also allowing for genericity in the use of dynamic reconstruction algorithms. Overall, our findings showed that dynamic reconstruction is necessary in DWB parametric imaging to achieve accurate and stable quantification. Many methods have been proposed in this project that showed how reconstruction can be optimised for multi-bed DWB imaging, by making best use of all dynamic and bed PET raw data in the reconstruction process. But before widespread use of dynamic reconstruction some methodological improvements need to be addressed further to guarantee artefact free and reliable parametric imaging. Most notably there is need for accurate estimation of underlying complex elastic motion in the dynamic datasets, followed by the correction of these motion types within the dynamic reconstruction process.La tomographie par émission de positons (TEP) est fréquemment utilisée pour des applications cliniques, avec une majorité des pratiques reposant sur des mesures qualitatives et semi-quantitatives. Mais l'imagerie TEP a la capacité de fournir des informations fonctionnelles entièrement quantitatives sur les processus sous-jacents explorés, grâce à l'imagerie dynamique et à la modélisation cinétique. Ces informations quantitatives peuvent être utilisées comme biomarqueurs pour des applications cliniques, en particulier pour la médecine de précision. Des protocoles avec des positions du lit multiples, dédiés à l'imagerie dynamique du corps entier (DWB), ont été développés afin étendre le champ de vue effectif, au prix de restrictions dans le nombre d'acquisitions et la fréquence d'échantillonnage. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la qualité de l'imagerie paramétrique du corps entier pour les applications d'imagerie DWB sur un système hybride TEP-IRM. Dans notre première contribution, nous avons présenté le développement d'un protocole entièrement automatisé pour l'imagerie DWB sur un système TEP-IRM clinique, qui a permis de réduire les délais d'acquisition, ce qui se traduit par une augmentation du nombre d'acquisitions et de la fréquence d'échantillonnage. Le recours à l'automatisation complète a permis d'optimiser la planification des positions individuelles des lits, en utilisant au mieux le champ de vue effectif. Pour la deuxième contribution, nous avons développé des algorithmes de reconstruction dynamique dans un logiciel ouvert, et évalué les avantages offerts par l'utilisation de divers modèles cinétiques dans la reconstruction de données TEP dynamiques simulées et réelles. Nos résultats sont en accord avec les conclusions d’études antérieures sur l'utilisation de la reconstruction dynamique. Dans notre cas particulier de l'imagerie DWB, la reconstruction dynamique a montré des propriétés favorables pour l'exactitude et la précision des images paramétriques du corps entier, tout en fournissant des images dont le bruit est comparable à celui des protocoles dynamiques standards à position de lit unique, reconstruits avec des techniques ordinaires. Dans notre troisième contribution, nous présentons une extension des fonctionnalités développées précédemment : la reconstruction dynamique simultanée de toutes les données multi-lits. Cette méthodologie permet l'utilisation synchrone de toutes les données d'acquisition DWB dans une seule boucle de reconstruction. La méthode a été appliquée à une étude pharmacocinétique DWB réalisée sur un système TEP-IRM clinique. Une comparaison a été faite avec des reconstructions statiques standards suivies d'une modélisation cinétique post reconstruction. Les résultats obtenus avec les deux méthodes étaient en bon accord, sans introduction de biais sur les métriques évaluées. En outre, l'utilisation de la reconstruction dynamique a entraîné une réduction notable du bruit dans les images d’émission et paramétriques. En outre, une méthode de détection et de correction des erreurs de modélisation utilisant la modélisation résiduelle adaptative a été appliquée et évaluée. Elle a montré des résultats prometteurs pour la réduction des erreurs de modélisation et leur propagation, tout en permettant la généricité dans l'utilisation des algorithmes de reconstruction dynamique. Nos résultats ont montré que la reconstruction dynamique est nécessaire en imagerie paramétrique corps-entier pour obtenir une quantification précise et stable. De nombreuses méthodes ont été proposées dans ce projet afin d’optimiser le processus de reconstruction TEP pour l'imagerie DWB, en utilisant au mieux les données dynamiques acquises sur plusieurs positions de lit. Pour généraliser son utilisation, certaines améliorations méthodologiques doivent encore être apportées pour garantir une imagerie paramétrique fiable et sans artefact, notamment en ce qui concerne les mouvements du patient

Modélisation et reconstruction de cartes paramétriques corps-entier en imagerie pharmacologique TEP-IRM

La tomographie par émission de positons (TEP) est fréquemment utilisée pour des applications cliniques, avec une majorité des pratiques reposant sur des mesures qualitatives et semi-quantitatives. Mais l'imagerie TEP a la capacité de fournir des informations fonctionnelles entièrement quantitatives sur les processus sous-jacents explorés, grâce à l'imagerie dynamique et à la modélisation cinétique. Ces informations quantitatives peuvent être utilisées comme biomarqueurs pour des applications cliniques, en particulier pour la médecine de précision. Des protocoles avec des positions du lit multiples, dédiés à l'imagerie dynamique du corps entier (DWB), ont été développés afin étendre le champ de vue effectif, au prix de restrictions dans le nombre d'acquisitions et la fréquence d'échantillonnage. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la qualité de l'imagerie paramétrique du corps entier pour les applications d'imagerie DWB sur un système hybride TEP-IRM. Dans notre première contribution, nous avons présenté le développement d'un protocole entièrement automatisé pour l'imagerie DWB sur un système TEP-IRM clinique, qui a permis de réduire les délais d'acquisition, ce qui se traduit par une augmentation du nombre d'acquisitions et de la fréquence d'échantillonnage. Le recours à l'automatisation complète a permis d'optimiser la planification des positions individuelles des lits, en utilisant au mieux le champ de vue effectif. Pour la deuxième contribution, nous avons développé des algorithmes de reconstruction dynamique dans un logiciel ouvert, et évalué les avantages offerts par l'utilisation de divers modèles cinétiques dans la reconstruction de données TEP dynamiques simulées et réelles. Nos résultats sont en accord avec les conclusions d’études antérieures sur l'utilisation de la reconstruction dynamique. Dans notre cas particulier de l'imagerie DWB, la reconstruction dynamique a montré des propriétés favorables pour l'exactitude et la précision des images paramétriques du corps entier, tout en fournissant des images dont le bruit est comparable à celui des protocoles dynamiques standards à position de lit unique, reconstruits avec des techniques ordinaires. Dans notre troisième contribution, nous présentons une extension des fonctionnalités développées précédemment : la reconstruction dynamique simultanée de toutes les données multi-lits. Cette méthodologie permet l'utilisation synchrone de toutes les données d'acquisition DWB dans une seule boucle de reconstruction. La méthode a été appliquée à une étude pharmacocinétique DWB réalisée sur un système TEP-IRM clinique. Une comparaison a été faite avec des reconstructions statiques standards suivies d'une modélisation cinétique post reconstruction. Les résultats obtenus avec les deux méthodes étaient en bon accord, sans introduction de biais sur les métriques évaluées. En outre, l'utilisation de la reconstruction dynamique a entraîné une réduction notable du bruit dans les images d’émission et paramétriques. En outre, une méthode de détection et de correction des erreurs de modélisation utilisant la modélisation résiduelle adaptative a été appliquée et évaluée. Elle a montré des résultats prometteurs pour la réduction des erreurs de modélisation et leur propagation, tout en permettant la généricité dans l'utilisation des algorithmes de reconstruction dynamique. Nos résultats ont montré que la reconstruction dynamique est nécessaire en imagerie paramétrique corps-entier pour obtenir une quantification précise et stable. De nombreuses méthodes ont été proposées dans ce projet afin d’optimiser le processus de reconstruction TEP pour l'imagerie DWB, en utilisant au mieux les données dynamiques acquises sur plusieurs positions de lit. Pour généraliser son utilisation, certaines améliorations méthodologiques doivent encore être apportées pour garantir une imagerie paramétrique fiable et sans artefact, notamment en ce qui concerne les mouvements du patient.Positron Emission Tomography (PET) is used extensively for clinical applications, with the majority of practices relying on qualitative and semi-quantitative measures. But PET imaging has the ability to deliver fully quantitative functional information of underlying imaged processes by use of dynamic imaging and modelling. That unique quantitative information can be utilised as biomarkers for clinical applications, with special focus on precision medicine. Multiple bed position protocols for dynamic whole-body (DWB) imaging have been developed to extend the effective FOV, at the cost of considerable limitations in acquisition counts and sampling frequency. The objective of this thesis is to improve the quality of whole body parametric imaging for DWB imaging applications on a hybrid PET/MR scanner. In our first contribution we presented the development of a fully automated protocol for DWB imaging on a clinical PET/MR system, which resulted in reduced delays during acquisition that translate to increased acquisition counts and sampling frequency. Use of full automation enabled optimized planning of individual bed positions, making best use of the effective FOV. For the second contribution we developed dynamic reconstruction algorithms within an existing open source reconstruction software, and evaluated on benefits offered by use of various dynamic models in reconstruction on simulated and real PET dynamic data. Results agreed with previous findings on the use of dynamic reconstruction. In the particular case of DWB imaging dynamic reconstruction showed desirable properties for whole-body parametric image accuracy and precision, while providing images of comparable image noise to regular single bed dynamic protocols processed with regular reconstruction techniques. In our third contribution we present an extension of the developed functionalities on reconstruction software for direct multi-bed dynamic reconstruction of DWB data. This methodology enables the synchronous use of all DWB acquisition data within a single reconstruction loop. The method was applied on a DWB pharmacokinetic study performed on a clinical PET/MR system and comparison was made with regular frame static reconstructions followed by post reconstruction parametric modelling. The results between the two methods were in good agreement, with no introduction of bias on the evaluated metrics. Furthermore, the use of dynamic reconstruction resulted in noticeable noise reduction in the activity and parametric images. In this application a modelling error correction method using adaptive residual modelling was also applied and evaluated, which showed promising results in reducing modelling errors and error propagation while also allowing for genericity in the use of dynamic reconstruction algorithms. Overall, our findings showed that dynamic reconstruction is necessary in DWB parametric imaging to achieve accurate and stable quantification. Many methods have been proposed in this project that showed how reconstruction can be optimised for multi-bed DWB imaging, by making best use of all dynamic and bed PET raw data in the reconstruction process. But before widespread use of dynamic reconstruction some methodological improvements need to be addressed further to guarantee artefact free and reliable parametric imaging. Most notably there is need for accurate estimation of underlying complex elastic motion in the dynamic datasets, followed by the correction of these motion types within the dynamic reconstruction process

Modélisation et reconstruction de cartes paramétriques corps-entier en imagerie pharmacologique TEP-IRM

Positron Emission Tomography (PET) is used extensively for clinical applications, with the majority of practices relying on qualitative and semi-quantitative measures. But PET imaging has the ability to deliver fully quantitative functional information of underlying imaged processes by use of dynamic imaging and modelling. That unique quantitative information can be utilised as biomarkers for clinical applications, with special focus on precision medicine. Multiple bed position protocols for dynamic whole-body (DWB) imaging have been developed to extend the effective FOV, at the cost of considerable limitations in acquisition counts and sampling frequency. The objective of this thesis is to improve the quality of whole body parametric imaging for DWB imaging applications on a hybrid PET/MR scanner. In our first contribution we presented the development of a fully automated protocol for DWB imaging on a clinical PET/MR system, which resulted in reduced delays during acquisition that translate to increased acquisition counts and sampling frequency. Use of full automation enabled optimized planning of individual bed positions, making best use of the effective FOV. For the second contribution we developed dynamic reconstruction algorithms within an existing open source reconstruction software, and evaluated on benefits offered by use of various dynamic models in reconstruction on simulated and real PET dynamic data. Results agreed with previous findings on the use of dynamic reconstruction. In the particular case of DWB imaging dynamic reconstruction showed desirable properties for whole-body parametric image accuracy and precision, while providing images of comparable image noise to regular single bed dynamic protocols processed with regular reconstruction techniques. In our third contribution we present an extension of the developed functionalities on reconstruction software for direct multi-bed dynamic reconstruction of DWB data. This methodology enables the synchronous use of all DWB acquisition data within a single reconstruction loop. The method was applied on a DWB pharmacokinetic study performed on a clinical PET/MR system and comparison was made with regular frame static reconstructions followed by post reconstruction parametric modelling. The results between the two methods were in good agreement, with no introduction of bias on the evaluated metrics. Furthermore, the use of dynamic reconstruction resulted in noticeable noise reduction in the activity and parametric images. In this application a modelling error correction method using adaptive residual modelling was also applied and evaluated, which showed promising results in reducing modelling errors and error propagation while also allowing for genericity in the use of dynamic reconstruction algorithms. Overall, our findings showed that dynamic reconstruction is necessary in DWB parametric imaging to achieve accurate and stable quantification. Many methods have been proposed in this project that showed how reconstruction can be optimised for multi-bed DWB imaging, by making best use of all dynamic and bed PET raw data in the reconstruction process. But before widespread use of dynamic reconstruction some methodological improvements need to be addressed further to guarantee artefact free and reliable parametric imaging. Most notably there is need for accurate estimation of underlying complex elastic motion in the dynamic datasets, followed by the correction of these motion types within the dynamic reconstruction process.La tomographie par émission de positons (TEP) est fréquemment utilisée pour des applications cliniques, avec une majorité des pratiques reposant sur des mesures qualitatives et semi-quantitatives. Mais l'imagerie TEP a la capacité de fournir des informations fonctionnelles entièrement quantitatives sur les processus sous-jacents explorés, grâce à l'imagerie dynamique et à la modélisation cinétique. Ces informations quantitatives peuvent être utilisées comme biomarqueurs pour des applications cliniques, en particulier pour la médecine de précision. Des protocoles avec des positions du lit multiples, dédiés à l'imagerie dynamique du corps entier (DWB), ont été développés afin étendre le champ de vue effectif, au prix de restrictions dans le nombre d'acquisitions et la fréquence d'échantillonnage. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la qualité de l'imagerie paramétrique du corps entier pour les applications d'imagerie DWB sur un système hybride TEP-IRM. Dans notre première contribution, nous avons présenté le développement d'un protocole entièrement automatisé pour l'imagerie DWB sur un système TEP-IRM clinique, qui a permis de réduire les délais d'acquisition, ce qui se traduit par une augmentation du nombre d'acquisitions et de la fréquence d'échantillonnage. Le recours à l'automatisation complète a permis d'optimiser la planification des positions individuelles des lits, en utilisant au mieux le champ de vue effectif. Pour la deuxième contribution, nous avons développé des algorithmes de reconstruction dynamique dans un logiciel ouvert, et évalué les avantages offerts par l'utilisation de divers modèles cinétiques dans la reconstruction de données TEP dynamiques simulées et réelles. Nos résultats sont en accord avec les conclusions d’études antérieures sur l'utilisation de la reconstruction dynamique. Dans notre cas particulier de l'imagerie DWB, la reconstruction dynamique a montré des propriétés favorables pour l'exactitude et la précision des images paramétriques du corps entier, tout en fournissant des images dont le bruit est comparable à celui des protocoles dynamiques standards à position de lit unique, reconstruits avec des techniques ordinaires. Dans notre troisième contribution, nous présentons une extension des fonctionnalités développées précédemment : la reconstruction dynamique simultanée de toutes les données multi-lits. Cette méthodologie permet l'utilisation synchrone de toutes les données d'acquisition DWB dans une seule boucle de reconstruction. La méthode a été appliquée à une étude pharmacocinétique DWB réalisée sur un système TEP-IRM clinique. Une comparaison a été faite avec des reconstructions statiques standards suivies d'une modélisation cinétique post reconstruction. Les résultats obtenus avec les deux méthodes étaient en bon accord, sans introduction de biais sur les métriques évaluées. En outre, l'utilisation de la reconstruction dynamique a entraîné une réduction notable du bruit dans les images d’émission et paramétriques. En outre, une méthode de détection et de correction des erreurs de modélisation utilisant la modélisation résiduelle adaptative a été appliquée et évaluée. Elle a montré des résultats prometteurs pour la réduction des erreurs de modélisation et leur propagation, tout en permettant la généricité dans l'utilisation des algorithmes de reconstruction dynamique. Nos résultats ont montré que la reconstruction dynamique est nécessaire en imagerie paramétrique corps-entier pour obtenir une quantification précise et stable. De nombreuses méthodes ont été proposées dans ce projet afin d’optimiser le processus de reconstruction TEP pour l'imagerie DWB, en utilisant au mieux les données dynamiques acquises sur plusieurs positions de lit. Pour généraliser son utilisation, certaines améliorations méthodologiques doivent encore être apportées pour garantir une imagerie paramétrique fiable et sans artefact, notamment en ce qui concerne les mouvements du patient

Use of dynamic reconstruction for parametric Patlak imaging in dynamic whole body PET

International audienceAbstract Dynamic whole body (DWB) PET acquisition protocols enable the use of whole body parametric imaging for clinical applications. In FDG imaging, accurate parametric images of Patlak K i can be complementary to regular standardised uptake value images and improve on current applications or enable new ones. In this study we consider DWB protocols implemented on clinical scanners with a limited axial field of view with the use of multiple whole body sweeps. These protocols result in temporal gaps in the dynamic data which produce noisier and potentially more biased parametric images, compared to single bed (SB) dynamic protocols. Dynamic reconstruction using the Patlak model has been previously proposed to overcome these limits and shown improved DWB parametric images of K i . In this work, we propose and make use of a spectral analysis based model for dynamic reconstruction and parametric imaging of Patlak K i . Both dynamic reconstruction methods were evaluated for DWB FDG protocols and compared against 3D reconstruction based parametric imaging from SB dynamic protocols. This work was conducted on simulated data and results were tested against real FDG dynamic data. We showed that dynamic reconstruction can achieve levels of parametric image noise and bias comparable to 3D reconstruction in SB dynamic studies, with the spectral model offering additional flexibility and further reduction of image noise. Comparisons were also made between step and shoot and continuous bed motion (CBM) protocols, which showed that CBM can achieve lower parametric image noise due to reduced acquisition temporal gaps. Finally, our results showed that dynamic reconstruction improved VOI parametric mean estimates but did not result to fully converged values before resulting in undesirable levels of noise. Additional regularisation methods need to be considered for DWB protocols to ensure both accurate quantification and acceptable noise levels for clinical applications

The effect of high count rates on cardiac perfusion quantification in a simultaneous PET-MR system using a cardiac perfusion phantom

Abstract Background PET-MRI is under investigation as a new strategy for quantitative myocardial perfusion imaging. Consideration is required as to the maximum scanner count rate in order to limit dead-time losses resulting from administered activity in the scanner field of view during the first pass of the radiotracer. Results We performed a decaying-source experiment to investigate the high count-rate performance of a PET-MR system (Siemens mMR) over the expected range of activities during a clinical study. We also performed imaging of a cardiac perfusion phantom, which provides an experimental simulation of clinical transit of a simultaneous radiotracer (phantom injected activities range 252 to 997 MBq) and gadolinium-based contrast agent (GBCA). Time-activity and time-intensity curves of the aorta and myocardium compartments from PET and MR images were determined, and quantification of perfusion was then performed using a standard cardiac kinetic model. The decaying-source experiment showed a maximum noise equivalent count rate (NECRmax) of 286 kcps at a singles rate of 47.1 Mcps. NECR was maintained within 5% (NECR95%) of the NECRmax with a singles rate of 34.1 Mcps, corresponding to 310 MBq in the phantom. Count-rate performance was degraded above the singles rate of 64.9 Mcps due to the number of detection events impacting the quantitative accuracy of reconstructed images. A 10% bias in image activity concentration was observed between singles rates of 78.2 and 82.9 Mcps. Perfusion phantom experiments showed that image-based activity concentration and quantified values of perfusion were affected by count losses when the total singles rate was greater than 64.9 Mcps. This occurred during the peak arterial input function (AIF) phase of imaging for injected activities to the phantom of 600 MBq and greater. Conclusions Care should be taken to avoid high count-rate losses in simultaneous PET-MRI studies. Based on our results in phantoms, bias in reconstructed images should be avoided by adhering to a singles rate lower than 64.9 Mcps on the mMR system. Quantification of perfusion values using singles rates higher than 64.9 Mcps on this system may be compromised and should be avoided

Application of a generic dynamic reconstruction algorithm on PET whole-body pharmacokinetic studies

International audienc

Improved 3D tumour definition and quantification of uptake in simulated lung tumours using deep learning

International audienceObjective In clinical positron emission tomography (PET) imaging, quantification of radiotracer uptake in tumours is often performed using semi-quantitative measurements such as the standardised uptake value (SUV). For small objects, the accuracy of SUV estimates is limited by the noise properties of PET images and the partial volume effect. There is need for methods that provide more accurate and reproducible quantification of radiotracer uptake. Approach In this work, we present a deep learning approach with the aim of improving quantification of lung tumour radiotracer uptake and tumour shape definition. A set of simulated tumours, assigned with "ground truth" radiotracer distributions, are used to generate realistic PET raw data which are then reconstructed into PET images. In this work, the ground truth images are generated by placing simulated tumours characterised by different sizes and activity distributions in the left lung of an anthropomorphic phantom. These images are then used as input to an analytical simulator to simulate realistic raw PET data. The PET images reconstructed from the simulated raw data and the corresponding ground truth images are used to train a 3D convolutional neural network. Results When tested on an unseen set of reconstructed PET phantom images, the network yields improved estimates of the corresponding ground truth. The same network is then applied to reconstructed PET data generated with different point spread functions. Overall the network is able to recover better defined tumour shapes and improved estimates of tumour maximum and median activities. Significance Our results suggest that the proposed approach, trained on data simulated with one scanner geometry, has the potential to restore PET data acquired with different scanners