Der Einfluss von Amplitudengating bei PET/CT auf die Bildqualität und die quantitative Auswertung des Standardized Uptake Value

Abstract

Bei der Bildgebung mit PET/CT handelt es sich um eine kombinierte Darstellung morphologischer und funktioneller Informationen des menschlichen Körpers. CT-Untersuchungen können innerhalb weniger Sekunden ohne Atemartefakte aufgenommen werden. Während einer drei- bis vierminütigen PET-Untersuchung entsteht hingegen eine nicht vermeidbare Bildunschärfe aufgrund der physiologischen Atembewegung des Patienten. Durch die Bewegung der Lungen und angrenzenden abdominalen Organe erscheinen Strukturen vor allem in ihrer axialen Ausdehnung verzerrt. Die Größe wird folglich überschätzt. Aufbauend darauf wird der SUV (Standardized Uptake Value), ein quantitativer Parameter zur Ermittlung der Aktivitätsaufnahme von Strukturen, zu niedrig berechnet. Akzentuiert tritt diese Problematik insbesondere in basalen Lungenregionen und der Leber auf. Kleine Strukturen sind ebenfalls stärker von der Atembewegung betroffen und können aufgrund des Schmiereffekts sogar der Detektion entgehen.Ein Versuch zur Lösung des vorliegenden Problems stellt das Atemgating (Amplitudengating) dar. Mittels eines extern gewonnenen Respirationssignals und mit Hilfe eines eigens entworfenen Algorithmus von Bauer (Justus-Liebig-Universität) wurde eine retrospektive amplitudenbezogene Bildkorrektur angefertigt. Die vorliegende Arbeit belegt den Effekt von Amplitudengating auf die Bildqualität bei PET/CT. Des Weiteren zeigt sie die Auswirkungen dieses Verfahrens auf die quantitative Ermittlung des SUV. Hierfür wurde zum einen eine Messreihe von insgesamt 40 Untersuchungen mit einem Phantom erstellt, zum anderen die Bilddaten von 33 Patienten aus dem Routinealltag retrospektiv mit dem neuen Algorithmus rekonstruiert und ausgewertet. Es fand ein Vergleich der rekonstruierten Bilddatensätze zwischen originalen, nicht bearbeiteten und den atemgegateten Bildern statt. Dazu standen Kriterien wie der berechnete SUV, die ermittelte Größe einer Läsion im CT und deren genaue Lokalisation, die optische Bildqualität der PET-Bilder sowie der axiale Durchmesser einer Läsion zur Verfügung.In die Analyse flossen die Ergebnisse aus 18 Phantommessungen mit je zwei Ballons, sowie 63 Läsionen aus den Patientendaten ein. Dabei zeigten sowohl die Phantommessung als auch die Daten der Patientenstudie nach Gating einen durchschnittlichen SUV-Anstieg von 29,9% (Phantomstudie) bzw. 29,1% (Patientenstudie). Auch bei der Bewertung der Bildqualität war eine deutliche Verbesserung hinsichtlich der Bildschärfe zu vermerken. Diese spiegelte sich in einer minimierten Verzerrung sowie einer verbesserten Detektierbarkeit von Läsionen wider. Die Hypothese, dass Läsionen im Subzentimeterbereich und Läsionen in basalen Lungengebieten oder der Leber am stärksten von der Atmung betroffen sind und dadurch am meisten durch das Amplitudengating profitieren, konnte bestätigt werden.Die vorliegenden Ergebnisse bestätigen, dass Amplitudengating die Bildqualität bei PET/CT verbessert. Darüber hinaus sprechen die SUV-Anstiege für eine Verbesserung der Quantifizierbarkeit. The purpose of Medical Imaging with PET/CT is the combined representation of morphological and functional information of the human body. CT examinations can be recorded without breathing artifacts within a few seconds, whereas a 3-4-minute-PET examination results in blurred images due to the physiological movement of the patient caused by breathing. Due to the motion of the lungs and adjacent abdominal organs, structures appear distorted, especially in the axial direction. Consequently, their size is overestimated. As a result, the Standardized Uptake Value (SUV) is underestimated. This problem particularly occurs in basal lung areas and the liver. Small structures are affected by the breathing movement as well, and can even escape detection due to blurring of the image.Respiratory Gating (amplitude gating) is an attempt to solve the existing problem. With the help of a special algorithm designed by Bauer (Justus-Liebig-University), a retrospective amplitude based image correction with an externally achieved respiratory signal was produced. This thesis verifies the impact of amplitude gating on PET/CT image quality. It also shows the effect of this process on quantitative SUV investigation assessment. We first analyzed a series of measurements of a total of 40 examinations, using a phantom. These measurements were then compared with the image data of 33 clinical routine patients retrospectively reconstructed and evaluated with the new algorithm. The original non-gated and the respiratory-gated images were compared. Criteria such as the calculated SUV, the determined size of lesion in CT, and its exact localization, as well as the optical image quality of PET-images and the axial extent of a lesion, were used to show positive effects of gating.18 measurements taken in a phantom design (each with two balloons) as well as 63 lesions from patient data were used for the analysis. The phantom and the patient measurements showed a mean SUV increase of 29,9% and 29,1%, respectively. Regarding to the image quality, there was also obvious improvement of image sharpness. This was reflected by a reduced distortion and an improved detection of lesions. The assumption that lesions in the sub centimeter range and lesions in basal lung areas or the liver are the most affected by respiration, and thus the most profiting from amplitude gating, was confirmed.The results show positive effects of amplitude gating on the improvement of image quality using PET/CT. Furthermore, the SUV increase indicates an improvement of quantification.