Development and validation of an integrated transmission source system for PET attenuation correction in PET/MR imaging

Abstract

Die Kombination von tomographischen Bildgebungsmethoden bringt einen Mehrwert für die medizinische Diagnostik. Ein klassisches Beispiel hierfür ist die Fusion von PET (Positron Emission Tomography) und CT (Computed Tomography). Bei dieser hybriden Bildgebungsmethode werden funktionelle Aufnahmen von metabolischen Vorgängen mit hochaufgelösten Aufnahmen der Anatomie des Patienten fusioniert. Neben der Verwendung des CT zur anatomischen Lokalisation der Bildinformation der nuklearmedizinischen Untersuchungsmethode wird das CT auch zur notwendigen Korrektur der Selbstabsorption der emittierten Photonen verwendet. Dadurch werden die Untersuchungszeit und Bildgebungsartefakte reduziert, und die so korrigierten Daten erlauben eine quantitative Aussage über metabolische Abläufe. Hochaufgelöste anatomische Bilder mit zusätzlich exzellentem Weichteilkontrast liefert MRI (Magnetic Resonance Imaging). Um 2006 wurden erste kombinierte klinische PET/MRI-Bildgebungssysteme eingeführt, die den Vorteil der inhärenten Bildfusion bieten. Ihr Nachteil besteht darin, dass die MRI-Bilder nicht direkt zur Schwächungs- und Streukorrektur verwendet werden können. Das Ziel der vorliegenden Dissertation war die Entwicklung und Validierung einer Schwächungskorrektur für ein kombiniertes PET/MRI-Gerät. Die Schwächungskorrektur beruht auf der Verwendung einer radioaktiven Punktquelle, welche in einem spiralförmigen Schlauchsystem um den Patienten hydraulisch geführt wird. Vergleichbare Systeme waren bereits vor der Einführung von PET/CT als Prototypen für konventionelle PET-Systeme vorhanden. Im gegebenen Fall wurde dieser Ansatz in dem Sinne weiterverfolgt, dass das Schlauchsystem und die Punktquelle zur Messung der Schwächungskorrektur in die Empfängerspule des PET/MRI integriert und weiters kompatibel mit den hohen Magnetfeldern der MRI gefertigt wurde. Die Novität findet sich in dem Umstand, dass mit einem derartigen Mechanismus erstmals eine Methode zur Schwächungskorrektur vorläge, die, anders als konventionelle MRI-basierte Korrekturmethoden, auch das knöcherne Gewebe berücksichtigt. Die entwickelte Korrekturmethode wurde mittels einer Phantom- und einer Schweinestudie validiert.

The combination of dierent medical imaging modalities provides additional benefit for diagnostic imaging. A well established hybrid imaging modality used in nuclear medicine is the combined Positron Emission Tomography (PET) and Computed Tomography (CT) system. The high resolution CT is used both for image fusion to provide anatomical context to the information from PET and for attenuation correction (AC) of the PET data to obtain quantitative results. The anatomical information can also be provided using Magnetic Resonance Imaging (MRI), which yields superior soft-tissue contrast. This makes it a highly attractive alternative to PET/CT. Since 2006 combined PET/MRI systems are available for human applications. However, the MRI can not be used directly for AC. Methods for AC in PET/MRI rely on segmentation of MR images or specialised MR-sequences and atlases. Most methods neglect attenuation of bone to a significant extent. The aim of this thesis was the development and validation of an MR head coil with an integrated transmission source system to enable direct measurement of attenuation using 511 keV photons in a clinical PET/MRI system. The prototype consists of a hydraulic system for driving a positron emitter on a helical path around a custom-built head-and-neck MR receiver coil. The design of the hydraulic system is based on the liquid drive developed by Jones et al. in the 1990's. The attenuation is calculated using the ratio of a blank and a transmission scan. The Performance of the developed transmission source system was evaluated using a phantom study and a porcine study.