Dependence of quantification accuracy on emission scan duration in PET/MR

Abstract

Ziel Die Genauigkeit der quantitativen PET-Aufnahmen hängt von verschiedenen Faktoren wie Patientenstatus, Aufnahmeprotokoll oder Rekonstruktionseinstellungen ab. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss der Aufnahmezeit auf qualitative und quantitative PET-Bildgrößen von Phantom und Patienten PET/MR-Aufnahmen unter Verwendung verschiedener Rekonstruktionseinstellungen. Methodik Die Messung des NEMA IQ Phantoms, befüllt mit FDG und einem Konzentrationsverhältnis von 4.1, wurde im list-mode Modus mit 20min Dauer aufgenommen. Die gesamte Aufnahme wurde jeweils vollständig in Aufnahmen mit 10min, 5min, 3min, 2min und 1min Länge geteilt und mit den zwei Verfahren OSEM (4it, 21subs, 5mm FWHM Gauss-Filter) und PSF (4it, 21subs, kein Filter) rekonstruiert. Die Bildqualität der Phantom-Messung wurde anhand von Rückgewinnungs-Koeffizienten (RC), Signal-zu-Rausch-Verhältnissen (SNR) und segmentierten Volumen (VOL) analysiert. Die Kenngrößen wurden jeweils für die maximale Aktivität und die mittleren Aktivitäten in einem an die Hintergrundaktivitäten angepassten Grenzwert von 41%, 50% und 70% segmentierten Volumen erhoben. 8 [68]Ga-DOTANOC und 16 [18]F-FET Patienten mit Gliomen waren in die Studie involviert. Die 10min list-mode Aufnahmen wurden mit OSEM und PSF rekonstruiert und jeweils in Bilder mit 5min, 3min, 2min, 1min und 30s aufgeteilt. Die Bildqualität wurde anhand von standardisierten Absorptionswerten (SUV), Läsion-zu-Hintergrund-Verhältnissen (LBR), SNR und VOL bewertet. Alle Messgrößen wurden auf die längste Aufnahmezeit bezogen und die relative Abweichung jeden Bildes zum Referenzbild statistisch ausgewertet. Ergebnisse Für die maximale Reduktion der Aufnahmezeit um einen Faktor 20 nahm das durchschnittliche Rauschen in den Phantom- und Patienten-Bildern bis zu 100% mit OSEM Rekonstruktion und bis zu 200% mit PSF Rekonstruktion zu. Vor allem für größere simulierte Läsionen stieg RCmax signifikant an (12% OSEM , 56% PSF), wobei RC41 nur halb so starke Abweichungen aufzeigte. In den Patienten nahm SUVmax um 8% bis 10% mit OSEM und um 50-65% mit PSF zu, während SUV41 wieder deutlich geringere Abhängigkeit von der Aufnahmezeit zeigte. SNRmax nahm in Phantom- und 68Ga-DOTANOC Aufnahmen stärker ab (ca. -70% mit OSEM, -80% mit PSF), aber weniger deutlich in 18F-FET Aufnahmen (ca. -40% mit OSEM und PSF). Bei Reduktion der Aufnahmezeit um einen Faktor 6 (OSEM) oder 5 (PSF) wird RCmax noch nicht statistisch signifikant beeinflusst. Mit OSEM Rekonstruktion konnte in Patienten-Bildern die Aufnahmedauer auf 3min (18F-FET Patienten) bzw. 5min (68Ga-DOTANOC Patienten) gesenkt werden ohne signifikante Auswirkungen auf SUVmax zu beobachten. Erkenntnisse Die Zunahme des Bildrauschens bei kürzerer Messdauer bewirkt einen merklichen Anstieg von RCmax und SUVmax und eine deutliche Abnahme von SNRmax, was in Summe die quantitative Bewertung der Bilder nachteilig beeinflusst. Jene Messgrößen, die auf einer 41%-Segmentierung beruhten, zeigten erheblich weniger Abweichungen bei verkürzter Aufnahmezeit als jene, denen die maximalen Aktivitäten zugrunde lagen. Potenzielle Reduktion um 50% der Messdauer ohne signifikanten Einfluss auf die Bildqualität konnte nachgewiesen werden.

Aim The quantification accuracy of PET images depends on several factors, such as patient status, data acquisition protocol or image reconstruction settings. The objective of this study is to evaluate the impact of acquisition time on the quantitative accuracy of PET images, reconstructed by using different settings, for phantom and patient scans in a PET/MR system. Materials and Methods Phantom measurement of a FDG-filled NEMA IQ Body Phantom is acquired in 20min list mode with a true lesion-to-background ratio LBRtrue of 4.1. Full acquisition is split to receive sets of 10min, 5min, 3min, 2min and 1min images using reconstruction settings OSEM (4it, 21subs, 5mm FWHM Gaussian post-filtering) and PSF (4it, 21subs, no filtering). Image quality is evaluated by recovery coefficients (RC), signal-to-noise ratios (SNR) and segmented volumes (VOL), for the maximum activity and for mean activities segmented at 41%, 50% and 70% adapted to background. 8 68Ga-DOTANOC and 16 18F-FET patients with gliomas are included in the study. 10min list mode scans for one bed position are performed and reconstructed with OSEM and PSF to receive sets of 5min, 3min, 2min, 1min and 30s images. Image quality is assessed via standardized uptake values (SUV), LBR, SNR and VOL for the maximum and mean activities as for the phantom. All measures are referenced to the image with longest frame time and the relative deviation of each image to the reference image is statistically evaluated. Results For maximal reduction of acquisition time, by a factor of 20, image noise increases significantly in phantom and patient data with average increases of up to 100% for OSEM reconstructions and up to 200% for PSF. RCmax increases especially for bigger spheres (12% OSEM, 56% PSF), while RC41 shows around half of these deviation values. In patients, SUVmax increases by 8% to 10% with OSEM and by 50% to 65% in PSF, while SUV41 shows less dependence on acquisition time. SNRmax decreases similarly for phantom and 68Ga-DOTANOC data (-70% in OSEM, -80% in PSF), but less in 18F-FET data (-40% in both, OSEM and PSF). Reduction of acquisition time by a factor of 6 (OSEM) or 5 (PSF) does not yet significantly influence RCmax. With OSEM reconstruction in patient studies, scan time can be lowered to 3min in 18F-FET patients or 5min in 68Ga-DOTANOC patients without significant effect on SUVmax. Conclusion The increase of image noise with shorter scan duration induces significant increases of RCmax and SUVmax and a substantial decrease of SNRmax, all together affecting quantification accuracy adversely. Measures with segmentation at 41% threshold are affected notably less by reducing acquisition duration than maximum activity measures. We propose potential reductions of acquisition time of up to 50% without compromising image quality significantly.