Digital PET/MRI for preclinical applications

Weissler, Bjoern; Schulz, Volkmar Adolf; Stahl, Achim; Heberling, Dirk

doi:34750

Digital PET/MRI for preclinical applications = Digitale PET/MRT für präklinische Anwendungen

Weissler, Bjoern

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Ing. Björn Christian Weißler

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (220 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schulz, Volkmar Adolf (Thesis advisor) ; Stahl, Achim (Thesis advisor) ; Heberling, Dirk (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-04-25

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-035452
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/573516/files/573516.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/573516/files/573516.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; PET (frei) ; MRI (frei) ; PET/MRI (frei) ; PET/MRI compatibility (frei) ; preclinical imaging (frei) ; medical imaging (frei) ; multimodality imaging (frei) ; hybrid imaging (frei) ; molecular imaging (frei) ; animal imaging (frei) ; instrumentation (frei) ; silicon photo multiplier (frei) ; digital silicon photo multiplier (frei) ; PDPC (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Kombination verschiedener medizinischer Bildgebungsverfahren zu hybriden Systemen führt zu höheren diagnostischen Genauigkeiten, zu vereinfachten klinischen Arbeitsabläufen und ermöglicht neue Ansätze in der Forschung. Die nahtlose Integration der Positronenemissionstomographie (PET) in die Magnetresonanztomographie (MRT) wird zusätzlich eine sehr gute räumliche und zeitliche Bildregistrierung erlauben und die gesamte Untersuchungszeit verkürzen.Die größte technologische Herausforderung dabei ist, eine skalierbare MRT-kompatible PET-Detektorarchitektur zu entwickeln. Sie muss in der Lage sein, die Versorgung, Steuerung, Kühlung, und Synchronisierung einer hohen Anzahl von Detektorkanälen zu ermöglichen und zugleich die Interferenzen mit dem MRT geringhalten. In dieser Arbeit wird der Ansatz verfolgt, die PET-Sensorsignale so nah wie möglich an den Sensoren zu digitalisieren, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis für PET zu maximieren. Die Digitalisierung erfolgt somit direkt in den PET-Detektormodulen, die sich innerhalb des MRT-Scanners befinden. In einem zweiten Schritt wird durch volldigitale Sensoren der Zwischenschritt der sensor-externen Digitalisierung analoger Sensorsignale vollständig abgeschafft. Der Nachteil dieses Ansatzes ist, dass er das höchste Risiko birgt das MRT-System auf verschiedene Weisen zu stören: die Homogenität des statischen Magnetfelds wird durch elektronische Komponenten verzerrt, die Gradientenfelder werden durch induzierte Wirbelströme in elektrisch leitenden Flächen beeinflusst, und das empfindliche HF-System empfängt durch digitale Schaltkreise erzeugte Störsignale.Diese Arbeit umfasst die Forschung an der PET-Hardware für beide Integrationsschritte mit einem Schwerpunkt auf der PET/MRT-Kompatibilität. Die Anforderungen an das Hybridsystem werden, basiert auf den Grundlagen der beiden einzelnen Bildgebungsverfahren PET und MRT, abgeleitet. Mögliche Wechselwirkungen zwischen beiden Systemen, und wie sie die Leistung der Einzelsysteme verschlechtern, werden diskutiert. Messmethoden zur Überprüfung der Leistung sowie der Wechselwirkungen werden vorgestellt. Diese Methoden werden sowohl in den Entwicklungsphasen der Systemkomponenten als auch in den abschließenden PET/MRT-Kompatibilitätsuntersuchungen verwendet. Die Ergebnisse werden diskutiert und mit den festgelegten Anforderungen sowie mit den Ergebnissen anderer Forschungsgruppen verglichen. Die Bildqualitäten und die in-vivo-Fähigkeiten der Systeme werden mit entsprechenden Messungen demonstriert.Das Ergebnis ist der weltweit erste digitale präklinische PET-Scanner und das erste digitale PET/MRT-System. Die erreichte räumliche Auflösung des PET-Systems ist höher als bei allen anderen bekannten simultanen PET/MRT-Systemen und ist vergleichbar mit den besten PET-Scannern ohne MRT-Kompatibilität. Die unerwünschte gegenseitige Beeinflussung der beiden Modalitäten ist auf ein Minimum reduziert. Darüber hinaus ermöglicht die hohe Zeitauflösung des PET-Systems erstmals den Einsatz von Time-Of-Flight-PET bei präklinischen Anwendungen. Die Arbeit zeigt, dass der beschriebene Ansatz der frühen Digitalisierung höchste PET Bildqualitäten ermöglicht und dass die daraus resultierenden MRT-Kompatibilitätsherausforderungen durch ein ausgeklügeltes Systemdesign gelöst werden können.

Combining different medical imaging modalities into a single device is a promising way to attain comprehensive and complementary information. Hybrid imaging modalities thus enable new research methods, improve diagnostic accuracy, and improve clinical workflow. The seamless integration of Positron Emission Tomography (PET) and Magnetic Resonance Imaging (MRI) will additionally lead to excellent spatial and temporal registration capabilities and will reduce the overall scan time.One of the main technological challenges is to develop a scalable PET detector architecture that is capable of supplying, controlling, cooling, synchronizing, and reading out a high number of detector channels, while at the same time keeping its interference with the MRI operation low. The approach followed in this thesis is to digitize the PET sensor signals as closely to the sensors as possible in order to maximize the PET signal-to-noise ratio. The digitization thus occurs directly within the PET detector modules, which are placed inside the bore of the MRI scanner. In a second step, the sensors measure the signals directly digitally. The downside of this approach is that it has the highest risk of influencing the MRI system. Digital electronics are known to disturb the MRI in several ways: the homogeneity of the static magnetic field becomes distorted by electronic components, the gradient fields are influenced by induced eddy currents in conductive areas, and the RF system receives spurious signals from the switching circuits.Compared to conventional invasive studies in translational research, preclinical imaging has the ability to improve the significance of preclinical studies, as well as the potential to drastically reduce the costs and the number of animals sacrificed. Preclinical imaging – form mice to rabbits – was thus chosen as a meaningful target application.This thesis covers the research on the PET hardware chains for both integration steps, with a focus on PET/MRI compatibility. The required performance parameters for a hybrid system are derived based on the fundamentals of the two single imaging modalities. Possible means of interaction between the two systems, and how the interactions degrade the performance parameters, are discussed. Methods to verify whether the requirements are met are described. They were extensively used in the development phases of all subcomponents and served to quantify the PET/MR compatibility of the final inserts. The results are discussed and compared to the stipulated requirements as well as to results of other research teams worldwide. Both systems demonstrate their image quality and their in vivo capabilities in respective measurements.The result is the world’s first digital preclinical PET scanner, which is also the world’s first digital PET/MRI system. The achieved spatial resolution in PET is higher than for all other simultaneous PET/MRI systems known, and is even similar to the best standalone PET scanners. Additionally, the accomplished PET coincidence time resolution introduces Time-Of-Flight-PET to preclinical applications. Undesired mutual influences between the two modalities are reduced to a minimum.The inserts demonstrate that the described approach of early digitization enables highest PET performance, and that the resulting MRI compatibility challenges can be solved by means of an elaborate system design.

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