[論文レビュー] Quantitative investigation of low-dose PET imaging and post-reconstruction smoothing

Behnoush Sanaei, Reza Faghihi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2021

Medical Imaging Techniques and Applications被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、50例の頭頸部がん患者の脳スキャンにおいて、標準の18F-FDG PET/CT線量の1%〜10%に低線量化した場合の画像品質およびSUVの正確性への影響を定量的に評価した。低線量イメージングはRMSEとSUVmaxバイアスを顕著に増加させるが、ガウスフィルタリングはSUVmaxバイアスを効果的に低減する一方でSUVmeanバイアスを増加させるため、低線量プロトコルにおいて両方の指標を慎重に検討する必要があることがわかった。

ABSTRACT

In this study, 18F-FDG PET/CT brain scans of 50 patients with head and neck malignant lesions were employed to systematically assess the relationship between the amount of injected dose (10%, 8%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, and 1% of standard dose) and the image quality through measuring standard image quality metrics (peak-signal-to-noise-ration (PSNR), structural similarity index (SSIM), root mean square error (RMSE), and standard uptake value (SUV) bias) for the whole head region as well as within the malignant lesions, considering the standard-dose PET images as reference. Furthermore, we evaluated the impact of post-reconstruction Gaussian filtering on the PET images in order to reduce noise and improve the signal-to-noise ratio at different low-dose levels. Significant degradation of PET image quality and tumor detectability was observed with a decrease in the injected dose by more than 5%, leading to a remarkable increase in RMSE from 0.173 SUV (at 5%) to 1.454 SUV (at 1%). The quantitative investigation of the malignant lesions demonstrated that SUVmax bias greatly increased in low-dose PET images (in particular at 1%, 2%, 3% levels) before applying the post-reconstruction filter, while applying the Gaussian filter on low-dose PET images led to a significant reduction in SUVmax bias. The SUVmean bias within the malignant lesions was negligible (less than 1%) in low-dose PET images; however, this bias increased significantly after applying the post-reconstruction filter. In conclusion, it is strongly recommended that the SUVmax bias and SUVmean bias in low-dose PET images should be considered prior to and following the application of the post-reconstruction Guassain filter, respectively.

研究の動機と目的

• 標準線量の1%〜10%に低線量化した18F-FDG PET/CT線量が脳スキャンの画像品質およびSUVの正確性に与える定量的影響を評価すること。
• 再構成後処理におけるガウスフィルタリングが低線量PET画像におけるノイズ低減およびSUVバイアスに与える影響を評価すること。
• 診断的正確性を保持しつつ放射線被曝を最小限に抑える最適な線量およびフィルタリング戦略を特定すること。
• 低線量と標準線量の基準画像との間で、画像品質指標（PSNR、SSIM、RMSE）およびSUVバイアスを比較すること。

提案手法

• 標準線量の1%〜10%に系統的に低線量化された50例の18F-FDG PET/CT脳スキャンの後向き分析。
• PSNR、SSIM、RMSE、SUVバイアスの指標を用いて、標準線量画像を基準として定量的比較を実施。
• 低線量画像に再構成後処理としてガウスフィルタリングを適用し、ノイズ低減およびSUV正確性への影響を評価。
• 悪性病変内および頭部全体領域におけるSUVmaxおよびSUVmeanバイアスを定量的に評価。
• 各線量レベルおよびフィルタリング条件ごとに画像品質指標を算出し、劣化および改善の程度を評価。
• 線量レベル間およびフィルタリング有無の比較による統計的分析を通じて、臨床的閾値を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 18F-FDGの投与線量を100%から1%に低減した場合、脳PET/CTスキャンにおけるPSNR、SSIM、RMSEといった画像品質指標にどのような影響が生じるか？
• RQ2 再構成後処理におけるガウスフィルタリングは、低線量PET画像におけるノイズ低減および信号対雑音比の向上にどの程度寄与するか？
• RQ3 ガウスフィルタリングの有無にかかわらず、悪性病変におけるSUVmaxバイアスは、さまざまな低線量レベルでどのように変化するか？
• RQ4 再構成後フィルタリングは悪性病変におけるSUVmeanバイアスを顕著に変化させるか？もしそうであるなら、その方向性は何か？
• RQ5 画像品質の劣化およびSUVバイアスが臨床的に懸念される水準に達するのは、どの線量レベルで発生するか？

主な発見

• RMSEは5%線量時の0.173 SUVから1%線量時の1.454 SUVに上昇し、極めて低線量時における顕著な画像品質の劣化を示している。
• フィルタリング前の低線量画像では、特に1%、2%、3%線量時においてSUVmaxバイアスが顕著に増加しており、腫瘍の取り込みが低く見積もられていることを示している。
• 再構成後ガウスフィルタリングは、低線量画像におけるSUVmaxバイアスを顕著に低減し、SUV正確性を改善した。
• フィルタリングなしの低線量画像ではSUVmeanバイアスが1%未満に保たれていたが、フィルタリング後は顕著に増加し、平均取り込みが過大評価されていることを示している。
• 低線量イメージングとガウスフィルタリングの組み合わせは、診断的誤解を避けるためにSUVmaxおよびSUVmeanバイアスの両方を慎重に評価する必要がある。
• 画像品質指標（PSNR、SSIM）は線量が低下するにつれて劣化し、標準線量の5%未満で最も顕著な低下が観察された。