Development and evaluation of new methods to improve attenuation correction in PET/MR hybrid imaging

Oehmigen, Mark GND

The combined positron-emission-tomography (PET) and magnet resonance (MR) imaging, called PET/MR hybrid imaging, conjuncts the advantages of both imaging modalities. It combines the specific metabolic information of PET with the high spatial resolution anatomical and functional images of MRI. A fundamental physical and technical challenge of PET/MR hybrid imaging is the attenuation correction (AC) of PET data. It is a prerequisite for artifact-free PET image quality and for an accurate PET quantification. The aim of this thesis was to develop and evaluate new AC methods for different clinical applications in PET/MR hybrid imaging. In the first part of the thesis a new method for AC of patient tissues was systematically evaluated on n=50 PET/MR patients. Altogether 99 lesions were detected and the standardized uptake values (SUV) were determined. By applying the new AC methods, the measured mean SUV increased by 4.4 %. For lesions located near to bone structures, an increase of SUV of up to 35 % could be measured. In the second study, a dual-tuned RF head coil for C13 and H1 PET/MR neuroimaging was investigated, and a CT-based 3D AC model of the radiofrequency (RF) coil was generated. Phantom experiments showed that the RF coil caused an overall attenuation of 9 % of the PET signal. By applying the AC model, the measured PET attenuation could be decreased to 0.5 % and could be validated by a patient study. In the third study of the thesis, a 16-channel RF breast coil was optimized for PET/MR hybrid imaging and an according CT-based 3D AC model of the RF breast coil was generated. In phantom experiments, the RF breast coil caused an overall attenuation of 13 % of the PET signal. By applying the AC model, the measured PET signal loss decreased to 0.5 %, which was also validated in a patient study. The methods developed and evaluated in this thesis lead to an improvement of attenuation correction and, furthermore, to an expansion of the diagnostic application spectrum of PET/MR hybrid imaging.

Die kombinierte Positron-Emissions-Tomographie (PET) und Magnetresonanztomographie (MRT), kurz PET/MR-Hybridbildgebung, vereint synergistisch die Vorteile beider bildgebenden Modalitäten. Sie kombiniert die hochspezifischen Stoffwechselinformationen des PET mit hoch aufgelöster anatomischer und funktioneller Bildinformation des MRT. Eine grundlegende physikalisch/technische Herausforderung bei der PET/MR-Hybridbildgebung ist die Schwächungskorrektur (AC) von PET-Daten. Diese ist eine Voraussetzung für artefaktfreie PET-Bildqualität und für die akkurate Quantifizierung mittels PET. Das Ziel dieser Arbeit war es, neue AC-Methoden für verschiedene klinische Anwendungen in der PET/MR-Hybridbildgebung zu entwickeln und zu evaluieren. Im ersten Teil der Arbeit wurde eine neue Methode zur AC von Patientengeweben an n=50 PET/MR-Patienten systematisch evaluiert. Es wurden insgesamt 99 Läsionen detektiert und deren Aktivität bestimmt (standardized uptake value, SUV). Durch die Verwendung der neuen AC-Methode stieg der gemessene durchschnittliche SUV-Wert, gemittelt über alle 99 Läsionen, um 4,4 % an. Für knochennahe Tumore und Läsionen konnte ein Anstieg des SUV-Wertes von bis zu 35 % gemessen werden. In der zweiten Studie wurde eine Zwei-Kern Hochfrequenz (HF)-Kopfspule für die C13- und H1-PET/MR-Neurobildgebung untersucht und es wurde ein CT-basiertes 3D AC-Modell für diese HF-Kopfspule erstellt. In Phantomexperimenten verursachte die HF-Spule eine globale Schwächung von PET-Signalen von 9 %. Durch Verwendung des AC-Modells konnte die gemessene PET-Signalschwächung auf 0,5 % reduziert und in einer Patientenstudie validiert werden. In der dritten Studie wurde eine 16-Kanal HF-Brustspule für die PET/MR-Hybridbildgebung optimiert und es wurde ebenfalls ein CT-basiertes 3D AC-Modell für diese HF-Brustspule erstellt. In Phantommessungen verursachte die HF-Brustspule einen globalen PET-Signalverlust von 13 %. Durch Verwendung des AC-Modells konnte die gemessene PET-Signalschwächung auf 0,5 % reduziert und ebenfalls in einer Patientenstudie validiert werden. Die entwickelten und evaluierten Methoden dieser Arbeit dienen jeweils der Verbesserung der Schwächungskorrektur und damit der Erweiterung des diagnostischen Einsatzspektrums der PET/MR-Hybridbildgebung.

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Oehmigen, M., 2020. Development and evaluation of new methods to improve attenuation correction in PET/MR hybrid imaging. https://doi.org/10.17185/duepublico/71796
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