Development and evaluation of new methods for the extension of clinical applications in PET/MR hybrid imaging

Eine technische Herausforderung der kombinierten Positronen-Emissions-Tomographie (PET)/Magnetresonanz-Tomographie (MRT) stellt die Korrektur von abgeschwächten oder gestreuten PET-Photonen dar. Um bestmögliche PET-Bildqualität und korrekte PETQuantifizierbarkeit zu gewährleisten, ist ein Ziel der vorliegenden Dissertation die Entwicklung und Evaluation neuer Methoden für die Schwächungs- und Streukorrektur (engl. attenuation correction AC, scatter correction SC) zur Erweiterung des klinischen Applikationsspektrums der PET/MR-Bildgebung. Eine weitere Einschränkung der PET/MRT ist die verhältnismäßig lange Akquisitionszeit. Um zukünftige schnellere PET/MR-Messprotokolle
zu ermöglichen, ist ein weiteres Ziel dieser Dissertation, den Einfluss von kürzeren PET-Akquisitionszeiten auf die PET-Bildqualität und Quantifizierung zu analysieren.

In der ersten Studie wurde die Implementierung und Evaluation der Verzerrungskorrektur-Methode HUGE (engl. B0 homogenisation using gradient enhancement) präsentiert, die das laterale MR-Sichtfeld erweitert und die AC in der PET/MRT verbessert. HUGE wurde systematisch in Phantom-Messungen und 24 Ganzkörper-PET/MRPatientendaten untersucht. Der durchschnittliche Anstieg des AC-Volumens betrug 5.8% und der durchschnittliche Anstieg in PET-Aktivität gegenüber der Standard-AC in den 24 detektierten Primär-Läsionen betrug 4.2 %. HUGE liefert eine robuste und effiziente Verzerrungskorrektur und als eine MR-basierte Methode ist HUGE unabhängig von der Wahl des Radiopharmazeutikums.

In der zweiten Studie wird der klinische Einfluss der verbesserten AC mit der
Verzerrungskorrektur HUGE und einem zusätzlichen Knochenmodell anhand 32 kardialen PET/MR-Patientendaten analysiert. Polar-Diagramme zeigen einen gleichmäßig verteilte Erhöhung der PET-Aktivität über das gesamte Myokardium mit verbesserter AC. Verzerrungs- Artefakte in der Standard-AC sind tendenziell ausgeprägter mit steigendem Körpermasseindex der Patienten.

In der dritten Studie wurde die Implementierung einer verbesserten SC-Methode
mit nicht-renormalisierter absoluter Skalierung in 100 PET/MR-Patienten mit Prostatakrebs untersucht. Die PET-Bildqualität konnte gegenüber der Standard-SC signifikant gesteigert und die SC-basierten Bildartefakte stark reduziert werden. Der durchschnittliche Anstieg der PET-Aktivität mit verbesserter SC in den 74 detektierten Läsionen betrug 12.4% und in der Artefakt-Region sogar 325.4 %.

In der vierten Studie wurde der Einfluss der PET-Akquisitionszeit auf die PET-Bildqualität und Quantifizierung anhand 51 Ganzkörper-PET/MR-Patientendaten analysiert. Trotz des erwarteten Trends schlechterer PET-Bildqualität bei kürzeren PETAkquisitionszeiten, sind 2 Minuten PET-Akquisition pro Bettstation ausreichend, um genaue Läsionsdetektion und ausreichende Bildqualität zu gewährleisten. Insgesamt konnten 91
Läsionen sowohl in der Standard-4-Minuten, als auch in der 2-Minuten PET-Rekonstruktion detektiert werden. Zwei Läsionen in der 1-Minuten PET-Rekonstruktion konnten wegen schlechter PET-Bildqualität nicht erkannt werden.

Die präsentierten Ergebnisse dieser Dissertation zeigen mehrere Methoden und Bildgebungskonzepte zur Verbesserung der PET/MR-Bildgebung und PET-Quantifizierung und erweitern somit das klinische Anwendungsspektrum in der PET/MR-Bildgebung.

 

For best possible positron emission tomography (PET) image quality and accurate PET quantification the correction for attenuated and scattered PET events is a main technical challenge in PET/magetic resonance imaging (MRI). Thus, an aim of this thesis was the development and evaluation of new methods and imaging concepts for attenuation and scatter correction (AC, SC) to further extend the clinical application spectrum in PET/MRI. Another constrain in PET/MRI is the prolonged acquisition time. In the context of preparing future fast PET/MR protocols, another aim of this thesis was to analyse the impact of reduced PET acquisition times on PET image quality and quantification.

The first study of this thesis deals with the implementation and evaluation of a truncation correction method called HUGE (B0 homogenisation using gradient enhancement) to extend the MR field-of-view, and thus to improve the AC in PET/MRI. HUGE was systematically tested in phantom measurements and 24 18F-FDG whole-body PET/MRI patient datasets. The mean AC-map volume was increased by 5.8% and the mean standardized uptake value in the 24 primary lesions increased by 4.2% over standard AC. The highest impact of HUGE on PET signal was quantified in lesions close to the truncated arms. HUGE provides
a robust and efficient method for truncation correction and results in realistic body
contouring. As a fully MR-based approach HUGE is independent of the choice of radiotracer.

The second study of this thesis deals with the clinical evaluation of improved AC
including HUGE truncation correction and a bone model approach on 32 cardiac 18F-FDG PET/MRI patient datasets. Polar plots exhibited a homogeneous gain of 6.1% in PET signal distribution across the myocardium using HUGE and the bone model. Truncation artifacts in the standard AC-map tend to be stronger in patients with higher body mass index.

In the third study of this thesis the implementation of an improved SC method with
un-renormalized absolute scaling was systematically tested in 100 68Ga-PSMA PET/MRI patients with prostate cancer. SC related artifacts (halo artifacts) could be inherently reduced using improved over standard SC, and thus, PET image quality could be increased. The mean standardized uptake value in 74 detected lesions increased by 12.4% with improved SC. The mean standardized uptake value in the halo margin increased by 325.4% with improved SC.

The fourth study of this thesis investigates the impact of reduced PET acquisition
times on PET image quality and quantification on 51 18F-FDG whole-body PET/MRI patient datasets. Despite the expected trend to lower PET image quality with shorter PET acquisition time (increase in image noise and decrease of signal-to-noise-ratio), 2 minutes PET acquisition time per bed station is sufficient to provide accurate lesion detection and high image quality. 91 lesions were detected in the 4 to 2 minute PET time interval. 2 lesions were missed out in the 1 minute PET time interval due to poor image quality.

The results presented in this thesis provide various methods and imaging concepts
for improving PET/MRI and PET quantification, and thus extend the range of clinical applications in PET/MRI.

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Lindemann, M.E., 2021. Development and evaluation of new methods for the extension of clinical applications in PET/MR hybrid imaging. https://doi.org/10.17185/duepublico/73459
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