[論文レビュー] Initial PET Performance Evaluation of a Preclinical Insert for PET/MRI with Digital SiPM Technology

David Schug, Christoph Lerche+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2015

Medical Imaging Techniques and Applications参考文献 54被引用数 51

ひとこと要約

本研究では、LYSOシンチレーター結晶を搭載したデジタルシリコンフォトマルチプライヤー（dSiPMs）を用いた前臨床用PET/MRIインサート、Hyperion-IIDの初期性能を評価した。動作パラメータの変動に対してもPET性能が安定しており、一致分解能時間は260 ps（trig 1）まで低下し、エネルギー分解能は12.4–12.9%、低線量条件下での感度は0.4–1.4%を示した。大型のトロイド型ホモジニアス・フォントレットを用いた実験では、時間飛行（ToF）情報の導入により画像品質が顕著に向上した。

ABSTRACT

Hyperion-IID is a positron emission tomography (PET) insert which allows simultaneous operation in a clinical magnetic resonance imaging (MRI) scanner. To read out the scintillation light of the employed LYSO crystal arrays with a pitch of 1 mm pitch and 12 mm in height, digital silicon photomultipliers (DPC 3200-22, Philips Digital Photon Counting) (DPC) are used. The basic PET performance in terms of energy resolution, coincidence resolution time (CRT) and sensitivity as a function of operating parameters, such as the operating temperature, the applied overvoltage, activity and configuration parameters of the DPCs, were evaluated on system level. The measured energy resolution did not show a large dependency on the selected parameters and is in the range of 12.4-12.9% for low activities and degrades to ~13.6% at activities of ~100 MBq. The CRT strongly depends on the selected trigger scheme (trig) of the DPCs. We measured approximately 260 ps, 440 ps, 540 ps and 1300 ps for trig 1-4, respectively. The trues sensitivity for a NEMA NU 4 mouse-sized scatter phantom with a 70-mm-long tube of activity was dependent on the operating parameters and was determined to be 0.4-1.4% at low activities. The random fraction stayed below 5% at activities up to 100 MBq and the scatter fraction was evaluated as ~6% for an energy window of 411-561 keV and ~16% for 250-625 keV. Furthermore, we performed imaging experiments using a mouse-sized hot-rod phantom and a large rabbit-sized phantom. In 2D slices of the reconstructed mouse-sized hot-rod phantom ({\O} = 28 mm), the rods were distinguishable from each other down to a rod size of 0.8 mm. There was no benefit of the better CRT of trig 1 over trig 3, where in the larger rabbit-sized phantom ({\O} = 114 mm), we could show a clear improvement of image quality using the time-of-flight information.

研究の動機と目的

• 臨床用MRI環境下におけるデジタルSiPM（dSiPM）を用いた前臨床用PET/MRIインサートの性能を評価すること。
• dSiPMの動作パラメータ（過電圧、トリガースキーム、バリデーションレベル）がPETシステム性能に与える影響を評価すること。
• 感度、エネルギー分解能、タイミング性能を最大化するための最適な測定設定を特定すること。
• 時間飛行（ToF）情報が、異なるサイズのフォントレットにおいて画像品質をどの程度向上させるかを調査すること。

提案手法

• Hyperion-IID PETインサートは、デジタルフォトンカウンティング（DPC）技術（Philips DPC 3200-22）を用いた60枚のdSiPMセンサータイルを用い、LYSOシンチレーションアレイ（1 mmピッチ、12 mm高さ）を読み取る。
• システムレベルの性能は、NEMA NU 4準拠のフォントレット（マウスサイズのホットロッドフォントレットと、より大きなラビットサイズのスキャッターフォントレット）を用いて評価された。
• 生のDPCセンサーデータはCOG-ACEアルゴリズムを用いてキャプチャ・処理され、イベント再構成および性能分析が行われた。
• 変更された主なパラメータには、過電圧（2.5 V ～ 3.0 V）、トリガースキーム（trig 1～4）、バリデーションレベル（val 28ph ～ 37ph）が含まれ、温度および線量レベルの調整も行われた。
• 画像品質は再構成された2次元スライスを用いて評価され、信号対雑音比（SNR）およびノイズ等価カウントレート（NECR）が分析された。
• MRIへの干渉はMRI適合設計により最小限に抑えられ、光学イーサーネットリンクを介してボア内からのデジタル化データが収集サーバーに送信された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 dSiPMのトリガースキーム（trig 1～4）は、PET/MRIにおける一致分解能時間（CRT）および画像品質にどのような影響を及ぼすか？
• RQ2 過電圧およびバリデーションレベルは、Hyperion-IIDシステムにおけるエネルギー分解能、感度、およびデータ飽和にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 時間飛行（ToF）情報は、小規模および大規模なフォントレットにおいて、画像品質をどの程度向上させるか？
• RQ4 温度および線量レベルは、特に感度およびNECRの観点から、システム性能にどのように影響を及ぼすか？
• RQ5 前臨床用dSiPMベースのPET/MRIシステムにおいて、PET性能を最大化するための最適な動作パラメータは何か？

主な発見

• 一致分解能時間（CRT）はトリガースキームに顕著な差が見られ、trig 1で260 ps、trig 2で440 ps、trig 3で550 ps、trig 4で1300 psを示し、trig 1が最良のタイミング性能を示した。
• 低線量条件下ではエネルギー分解能が12.4–12.9%で安定しており、100 MBqで約13.6%まで低下した。
• 低線量条件下での感度は0.4%～1.4%の範囲にあり、100 MBqまでランダム成分は5%未満、散乱成分は411–561 keVでは約6%、250–625 keVでは約16%であった。
• マウスサイズのフォントレットでは、0.8 mmのロッドが識別可能であったが、小型であるためToFの導入による画像品質の向上は顕著ではなかった。
• ラビットサイズのフォントレットでは、trig 1（260 ps CRT）を用いたToFが、非ToFおよび他のトリガースキームよりも顕著に画像品質を向上させた。
• 最高のNECRは、低温度（<10 °C）、低過電圧（2.5 V）、およびtrig 1または2の条件下で達成され、最適設定は線量および物体サイズに依存した。