Determining first pass ejection fraction for myocardial PET examinations

Abstract

Nuclear medicine technology is widely used for different applications in oncology, especially to assess myocardial viability. The nuclear imaging technology positron emission tomography (PET) is often used for therapy response assessment in oncology as a standard method. PET imaging allows to measure the first pass ejection fraction (FPEF) which is the time interval of the radio tracers arriving at the heart and important to evaluate cardiac function. Since most chemotherapies can be inappropriate due to the occurring of cardiotoxicity [1] it would be advantageous to assess the heart function by means of the ejection fraction (EF) in one PET examination. In this project we aim to obtain accurate measurements of the FPEF by employing [18F]FDG and [13N]NH3 PET imaging in the right ventricle (RV) and left ventricle (LV). The analysis and evaluation were performed with dynamic list mode (LM) datasets of 22 patients undergoing simultaneous PET/MR examinations by the Biograph mMR (Siemens Healthineers, Erlangen, Germany). The optimal time window for the FPEF is estimated by evaluating the LM count rate in a region-of-interest (ROI) located at the heart. With the information of the appropriate time duration of the FPEF an ECG-gated image reconstruction was performed by using the vendor provided reconstruction toolbox (e7-tools, Siemens). The clinical software Hermes Hybrid Viewer PDR 4.0.0 (HERMES Medical Solutions AB, Stockholm, Sweden) was used to manual delineate both ventricles in order to calculate the FPEF from the ECG-gated images. Statistical analysis with Pearson correlation coefficient was applied to compare the measured FPEF values with the EF from MR data. Besides, the automatic segmentation software Quantitative Blood Pool SPECT (QBS) was applied to delineate automatically and calculate the values of the FPEF. No correlation was found between the [13N]NH3 study and MR (LVEF: R = 0.38, p = 0.079 and RVEF: R = 0.27, p = 0.23), instead a significant correlation showed the [18F]FDG with MR data (LVEF: R = 0.64, p = 0.0014 and RVEF: R = 0.63, p = 0.0018). The automatic segmentation showed wrong results due to inappropriate delineations of the ventricles. Thus, the results were not included into the statistical analysis. Our results of the manual delineation showed that the calculations of the FPEF was only possible from the [18F]FDG study and not from the [13N]NH3 study. Thus, we assume that the estimation of the FPEF with the [18F]FDG radio tracer is a promising technique to evaluate cardiac function. The automatic segmentation failed to delineate and calculate ventricular volumes and the EF. The manual segmentation can cause errors in ROI drawing. Hence, we strongly recommend to use proper automatic delineating software for the assessment of cardiac images from PET/MR examinations.

Die nuklearmedizinische Technik wird in verschiedenen Anwendungen in der Onkologie genutzt, wobei sie besonders zur Beurteilung des Myokards beiträgt. Das nuklearmedizinische Bildgebungsverfahren Positronen-Emissions-Tomographie (PET) wird in der Onkologie häufig als Standardmethode zur Beurteilung des Therapieansprechens verwendet. Mit der PET-Bildgebung kann die First-Pass-Ejektionfraktion (FPEF) gemessen werden, welche dem Zeitintervall von etwa zwei Minuten entspricht, in dem der injizierte Radiotracer am Herzen ankommt, der zur Beurteilung für die Herzfunktion wesentlich ist. Da die meisten Chemotherapien aufgrund der auftretenden Cardiotoxine ungeeignet sein können [1], daher wäre es von Vorteil, die Herzfunktion mittels der Ejektionsfraktion (EF) in einer PET-Untersuchung zu untersuchen. In diesem Projekt werden genaue Messungen der FPEF durch Verwendung von [18F]FDG- und [13N]NH3 PET-Bildgebung im rechten und linken Ventrikel ermittelt. Die Durchführung der simultanen PET/MR-Untersuchungen erfolgte an 22 Patienten mit dem Biograph mMR (Siemens Healthineers, Erlangen, Deutschland), um daraus dynamische list mode (LM) Datensätze zu erzeugen. Für die Analyse und Auswertung der FPEF wurde aus den LM-Datensätze das optimale Zeitfenster für die FPEF berechnet, welches sich aus der LM-Zählrate in einer gewählten Region of Interest (ROI) vom Herzen ergab. Mit der entsprechenden Zeitdauer der FPEF wurde eine EKG-gesteuerte Bildrekonstruktion mithilfe der Rekonstruktions-Toolbox (e7-tools, Siemens) erstellt. Anhand der klinischen Software Hermes Hybrid Viewer PDR 4.0.0 (HERMES Medical Solutions AB, Stockholm, Schweden) konnten beide Ventrikel manuell abgegrenzt und die FPEF aus den EKG-gesteuerten Bildern berechnet werden. Die statistische Analyse erfolgte durch Berechnung des Pearson-Korrelationskoeffizient, um die gemessenen FPEF-Werte mit den EF-Werten aus den MR-Daten zu vergleichen. Außerdem wurde die automatische Segmentierungssoftware Quantitative Blood Pool SPECT (QBS) auf beide PET-Studien angewendet, um die Werte der FPEF automatisch zu berechnen. Es wurde keine Korrelation bei der [13N]NH3-Studie mit der MR-Studie gefunden (LVEF: R = 0.38, p = 0.079 und RVEF: R = 0.27, p = 0.23). Stattdessen wurde eine signifikante Korrelation für die [18F]FDG-Studie mit den MR-Daten (LVEF: R = 0.64, p = 0.0014 und RVEF: R = 0.63, p = 0.0018) erreicht. Die automatische Segmentierung ergab falsche Ergebnisse aufgrund ungeeigneter Abgrenzungen der Ventrikel. Daher war es nicht möglich, die Ergebnisse in die statistische Analyse einzubeziehen. Unsere Ergebnisse der manuellen Abgrenzung zeigten, dass die Berechnungen der FPEF nur aus der [18F]FDG-Studie und nicht aus der [13N]NH3-Studie möglich waren. Wir gehen daher davon aus, dass die Schätzung der FPEF mit dem [18F]FDG Radiotracer eine vielversprechende Methode zur Beurteilung der Herzfunktion darstellt. Die automatische Segmentierung konnte das Ventrikelvolumen und die EF nicht abgrenzen und nicht berechnen. Die manuelle Segmentierung kann zu Fehlern in der ROI Einzeichnung führen. Wir empfehlen daher dringend, dass zur Beurteilung von Herzbildern aus PET/MR-Untersuchungen eine geeignete automatische Abgrenzungssoftware verwendet werden sollte.