title: Comparison of different attenuation correction methods in hybrid PET/MR brain imaging
Creators: name: Rischka, Lucas
Publisher: name: TU Wien
Year: 2016
Subjects: subject: Positronen-emissions-tomographie (PET)
subject: Magnetresonanztomografie (MRI)
subject: PET
subject: MR
subject: Computertomographie (CT)
subject: Schwächungskorrektur
subject: Nuklearmedizin
subject: Positron Emission Tomography (PET)
subject: magnetic resonance imaging (MRI)
subject: PET
subject: MR
subject: computed tomography (CT)
subject: attenuation correction
subject: nuclear medicine

description: Die Einführung der hybriden Positronenemissionstomographie/Magnetresonanz- tomographie (PET/MR) Systeme eröffnete die Möglichkeit der simultanen Aufnahme von PET-Daten und (funktionellen) MR Bildern. Ein bisher ungelöstes Problem ist allerdings die Schwächungskorrektur der Photonen. Der überwiegende Anteil an Schwächung ist aufgrund seiner chemischen und physikalischen Eigenschaften Knochen zuzuordnen. Wegen seines niedrigen Gehalts an Wasserstoffatomen ist es nicht möglich Knochengewebe vollständig im MR abzubilden. Eine korrekte Schwächungskorrektur ist allerdings essentiell um die Daten einerseits in Forschungsstudien korrekt quantifizieren zu können und andererseits, für die Klinik, um beispielweise Tumor richtig zu klassifizieren. In Forschungsstudien wird das Problem der Schwächungskorrektur meist mit der Aufnahme eines niedrig dosierten Bildes in einem Computertomographen (CT) und dessen Anwendung auf die PET-Daten umgangen. Dieses zusätzlich aufgenommene CT ist allerdings unpraktisch. Es bedeutet eine zusätzliche Strahlenexposition für den Patienten, ist eine logistische Herausforderung und bringt weitere technische Probleme. Aus diesem Grund sind korrekte und gleichzeitig einfach zu implementierende Alternativlösungen eine essentielle Anforderung an hybride PET/MR Systeme. In dieser Arbeit wurden vier verschieden Ansätze der Schwächungskorrektur mit dem Goldstandard CT verglichen, nämlich zwei Arten die auf der Segmentierung von MR Bildern basieren und vom Hersteller des Geräts zur Verfügung gestellt werden (DIXON, UTE), ein Ansatz der auf einer Datenbank, gefüllt mit MR-CT Paaren basiert (pseudoCT) und zuletzt, eine Transmissionsmessung die durch rotierende, radioaktive Stabquellen zustande kommt, welche auf einem gewöhnlichen PET aufgenommen wurde. Die Unterschiede wurden auf Basis von Regionen als auch Voxel (volumetrische Pixel) überprüft. Die Resultate zeigten eine große Variation zwischen den unterschiedlichen Schwächungskorrekturansätzen. Der Ansatz, der auf MR-CT Paaren basiert, schnitt im Sinne von Reproduzierbarkeit und Fehler am besten ab während die anderen Arten eine große Unterschätzung der Aktivität im gesamten Hirn zeigten. Die Ansätze die auf Segmentierung basierten zeigten eine größere Fehlberechung der Aktivität in der Nähe des Schädelknochen, bei der Schwächungskorrektur mittels Transmissionsscan war der Fehler im Bereich des Zentrums des Hirns am größten. Die gefunden Resultate stimmten mit früher publizierten Ergebnissen überein. Basierend auf den Resultaten scheint der datenbankbasierte Ansatz ein vielversprechender Ersatz für das CT zu sein, auch wenn er leichte Unsicherheiten im frontalen und okzipitalen Bereich zeigt. Das pseudoCT könnte derzeit nur in Forschungsstudien angewandt werden, wo Zeit eine geringere Rolle spielt. Der Nachteil des Ansatzes ist nämlich die Notwendigkeit dessen Prozessierung bevor er angewandt werden kann. Diese Prozessierung ist derzeit in der Klinik nicht möglich.
description: The development of hybrid positron emission tomography/magnetic resonance imaging (PET/MR) systems opened the opportunity for a simultaneous acquisition of PET emission data and (functional) MR imaging. However, an unresolved issue is the correction of attenuated photons. The main contributor to attenuation is bone due to its chemical and physical properties. However, it is not possible to fully depict this tissue with MRI because of its low abundance of hydrogen atmos. An appropriate attenuation correction (AC) is essential for correct quantification in research studies but also for the clinical routine, e.g. tumor classification. In research studies a common way to overcome the issue with AC in PET/MR is the acquisition of a low-dose computed tomography scan (CT) and its application to the PET emission data as AC map. However, the separate recording of a CT is inconvenient. It leads to an additional radiation exposure to the patients, a logistical issue since the patients have to be transferred to a different scanner and also to a technical challenge because the CT has to be preprocessed before it can be applied. Therefore, alternative approaches with less effort and correct AC are highly desirable. In this work, four different AC approaches were compared to the gold-standard AC CT, namely two MRI-segmentation based approaches which were provided by the vendor (DIXON, UTE), one atlas-based approach based on a database with MRI-CT pairs (pseudoCT) and lastly, a transmission scan generated by rotating radioactive rod sources from a PET-only system (TX). The differences were compared on a region-of-interest but also on a voxel-wise basis. The results revealed a great performance variation for all attenuation correction approaches. The atlas-based approach (pseudoCT) performed best in terms of reproducibility and bias whereas the other approaches showed great underestimation of the uptake values across the whole brain. The segmentation based approaches displayed a greater miscalculation of the uptake in the proximity to the skull whereas the highest error for the TX was found close to the center of the brain. The observed results were in accordance with previous works. Based on the findings the atlas-based approach seems to be a promising substitution for the CT even though it shows slight fluctuations in the occipital and frontal region. However, in its current form the pseudoCT might only be applicable on research studies where time is a minor issue. Differently, in clinical routine a drawback of this approach is the necessity of preprocessing of the pseudoCT which is unfeasible for clinics.