A detector block-pairwise dead time correction method for improved quantitation accuracy for a dedicated BrainPET scanner

Issa, Ahlam Said Mohamad; Shah, Nadim Joni; Neuner, Irene

doi:HT030628913

A detector block-pairwise dead time correction method for improved quantitation accuracy for a dedicated BrainPET scanner

Issa, Ahlam Said Mohamad^RWTH*

2023 & 2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ahlam Said Mohamad Issa

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Shah, Nadim Joni (Thesis advisor)^RWTH* ; Neuner, Irene (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-11-02

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-00241
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/976443/files/976443.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Eine Methode zur paarweisen Totzeitkorrektur zur Verbesserung der Quantifizierungsgenauigkeit bei einem dedizierten BrainPET-Scanner Die Totzeitkorrektur (DTC) ist, ebenso wie andere Korrekturen für Abschwächung, Zerfall und Streuung für die genaue Quantifizierung in der PET von großer Bedeutung. Viele PET-Systeme verwenden eine globale DTC, d.h., es wird ein durchschnittlicher DTC-Faktor für alle Szintillations-detektorblöcke des Systems errechnet. Die Zählraten der einzelnen Szintillationsdetektorblöcke sind jedoch aufgrund der individuell unterschiedlichen Bestrahlung der einzelnen Detektorblöcke im Allgemeinen sehr unterschiedlich, insbesondere bei PET-Geräten, bei denen keine Abschirmung eingebaut werden kann, wie im Falle des Siemens 3T MR BrainPET-Einsatzes. Aus diesem Grund haben wir eine verbesserte Totzeitkorrektur entwickelt, welche auf einer bereits veröffentlichen Methode aufbaut und die verzögerten, zufälligen Koinzidenzzählraten zur Bestimmung der jeweiligen Totzeit verwendet. Die neue Korrekturmethode wurde unter Verwendung von Zerfallsexperimenten mit Phantomen homogener und inhomogener Aktivitätskonzentration sowie mit und ohne Aktivität außerhalb des FOV evaluiert. Es wurde sowohl die Genauigkeit als auch das Rauschverhalten mit Messungen mit einem 3-Kompartiment-Phantom evaluiert. Da die globale Totzeitkorrektur und die neue Totzeitkorrektur unterschiedliche Kalibrierungen erfordern wurden beide Methoden gegeneinander kreuzkalibriert. Die aus der neuen Totzeitkorrektur resultierenden Unterschiede in der Quantifizierung der PET-Aufnahmen wurden mit verschiedenen radioaktiven Tracern bewertet. Zu diesem Zweck haben wir die Auswirkungen auf die [11C]ABP688 Zeitaktivitäts-kurven (TACs) und abgeleitete Größen wie das Bindungspotenzial (BPND) und das Gesamt-verteilungsvolumen (VT) für diesen Tracer untersucht. Wir untersuchten ebenfalls die Auswirkungen der neuen Totzeitkorrektur auf die O-(2-[18F]Fluorethyl)-L-Tyrosin (FET) Zeitaktivitätskurven und die Quotienten TBRmax und TBRmean. Die Auswirkungen auf die [15O]H2O Zeitaktivitätskurven und die mit Hilfe von Modellierung abgeleiteten Größen K1 und k2, den regionalen zerebralen Blutfluss (rCBF) und VT wurden ebenfalls evaluiert. Die Phantommessungen zeigten, dass die globale Totzeitkorrektur vor allem in den Regionen mit hohen Aktivitätskonzentrationen zu signifikanten Quantifizierungsfehlern führte, während die neu entwickelte Totzeitkorrektur zu wesentlich geringeren Abweichungen führte. Das Bildrauschen war bei beiden Totzeitkorrekturmethoden vergleichbar. Die Auswertung typischer Anwendungen bei Probanden- und Patienten-messungen ergab relevante Unterschiede zwischen den beiden Totzeitkorrekturmethoden, welche insbesondere für neurowissenschaftlichen Studien relevant sind. Bei den Messungen mit [11C]ABP688 erhielten wir für die globale Totzeitkorrektur in allen untersuchten Hirnregionen relevante Abweichungen von VT. Bei [18F]FET-PET wurden beim Vergleich der beiden Totzeitkorrekturmethoden Unterschiede in TBRmax von bis zu 10 % festgestellt. Diese Abweichungen sind von der Entfernung des Tumors zum PET-Isozentrum abhängig. Für [15O]H2O beobachteten wir in beiden Regionen (GM und WM) relevante Abweichungen für rCBF, K1, k2 und VT.

A Detector Block-Pairwise Dead Time Correction Method for Improved Quantitation Accuracy for a Dedicated BrainPET Scanner Dead time correction (DTC) is of high significance for accurate quantification in PET, just like other corrections for attenuation, decay, and scatter. Many PET systems use the global DTC, i.e., an average DTC factor is computed for all scintillation detector blocks of the system. However, the count rates of the individual scintillation detector blocks are potentially very different due to the individually varying irradiation of each block detector, especially for systems where the allocation of radiation shields is not possible, as in the case of our dedicated Siemens 3T MR BrainPET insert. For that reason, we have developed a block-pairwise DTC. In our approach, we extended a previously published method that uses the delayed random coincidence count rate to estimate the dead time in the individual blocks and planes. This DTC was evaluated with decay experiments using phantom measurements with homogenous and inhomogeneous activity concentrations and with and without out-of-FOV activity. We compared the accuracy and the noise behavior with measurements using a 3-compartment phantom. Moreover, we showed that the global and the improved block-pairwise DTC require different calibration. Therefore, we cross-calibrated both methods against each other. The differences in the quantification of the BrainPET images were evaluated by using several radioactive tracers. For this, we validated the method by quantifying the impact on [11C]ABP688 time-activity curves (TACs) and derived quantities such as the non-displaceable binding potential (BPND) and the total distribution volume (VT). We further studied the new method’s impact on O-(2-[18F]fluoroethyl)-L-tyrosine (FET) TACs and tumor to background ratios (TBRmax and TBRmean) and we evaluated the impact on [15O]H2O TACs and the rate constants K1 and k2, the regional cerebral blood flow (rCBF), and the VT obtained by kinetic modeling. The phantom measurements showed that the global DTC led to significant quantification biases in mainly those regions with high activity concentrations, while the block-pairwise DTC led to substantially less bias. The noise level was comparable for both methods. The evaluation of typical applications in volunteer and patient measurements revealed relevant differences between the two DTC, particularly relevant for research applications in neuroscientific studies. In case of PET imaging with [11C]ABP688 we found a relevant bias of VT in all studied brain regions when using the global DTC. For [18F]-FET-PET, differences in TBRmax of up to 10% were observed when comparing both DTC methods. These differences depend on the distance of the tumor from the PET iso-center. For [15O]H2O, we found relevant biases for rCBF, K1, k2, and VT in the both regions (GM and WM).

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