[논문 리뷰] Initial PET Performance Evaluation of a Preclinical Insert for PET/MRI with Digital SiPM Technology

David Schug, Christoph Lerche외 9명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 02.

Medical Imaging Techniques and Applications참고 문헌 54인용 수 51

한 줄 요약

이 연구는 LYSO闪烁체 결정을 사용하는 디지털 실리콘 포토멀티플라이어(dSiPM)를 탑재한 전임상 PET/MRI 임플랜트 Hyperion-IID의 初기 성능을 평가한다. 다양한 운영 파라미터에서 안정적인 PET 성능을 입증하였으며, 공진기 해상도 시간이 최소 260 ps(trig 1)에 이르고 에너지 해상도는 12.4–12.9%, 저활성 상태에서 감도는 0.4–1.4%를 기록하여, 큰 환상체에서 시간-비행(ToF) 정보를 활용할 경우 영상 품질 향상이 뚜렷하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 임상 MRI 환경에서 디지털 SiPM(dSiPM)를 사용하는 전임상 PET/MRI 임플랜트의 성능 평가.
• dSiPM 운영 파라미터—초과전압, 트리거 방식, 검증 수준이 PET 시스템 성능에 미치는 영향 평가.
• 감도, 에너지 해상도, 타이밍 성능을 극대화하기 위한 최적 측정 설정 도출.
• 다양한 환상체 크기에 대해 시간-비행(ToF) 정보가 영상 품질 향상에 미치는 영향 조사.

제안 방법

• Hyperion-IID PET 임플랜트는 LYSO 스크린레이터 어레이(1 mm 피치, 12 mm 높이)를 독자적으로 읽기 위해 디지털 포톤 카운팅(DPC) 기술을 적용한 60개의 dSiPM 센서 타일을 사용한다(Philips DPC 3200-22).
• 시스템 수준 성능 평가는 NEMA NU 4 기준 환상체를 사용하여 평가하였다: 마우스 크기의 핫로드 환상체와 더 큰 래비트 크기의 산산이 환상체.
• 원시 DPC 센서 데이터는 COG-ACE 알고리즘을 사용해 캡처 및 처리하여 이벤트 재구성 및 성능 분석을 수행하였다.
• 주요 변동 파라미터로는 초과전압(2.5 V에서 3.0 V), 트리거 방식(trig 1–4), 검증 수준(val 28ph에서 37ph)을 설정하였으며, 온도 및 활성도 수준도 조절하였다.
• 영상 품질 평가는 재구성된 2D 슬라이스를 기반으로 하였으며, 신호 대 잡음비(SNR) 및 잡음 등가 카운트율(NECR)을 분석하였다.
• MRI 간섭 최소화를 위해 MRI 호환 설계를 적용하였으며, 광섬유 이더넷 링크를 통해 보어 내부에서 디지털화된 데이터를 수집 서버로 전송하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 dSiPM 트리거 방식(trig 1–4)이 PET/MRI에서 공진기 해상도 시간(CRT)과 영상 품질에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 초과전압 및 검증 수준이 Hyperion-IID 시스템의 에너지 해상도, 감도, 데이터 포화에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 시간-비행(ToF) 정보가 소형 대비 대형 환상체에서 영상 품질 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 온도 및 활성도 수준이 감도 및 NECR 측면에서 시스템 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 전임상 dSiPM 기반 PET/MRI 시스템에서 PET 성능을 극대화하기 위한 최적 운영 파라미터는 무엇인가?

주요 결과

• 공진기 해상도 시간(CRT)은 트리거 방식에 따라 크게 달라졌으며, 각각 260 ps(trig 1), 440 ps(trig 2), 550 ps(trig 3), 1300 ps(trig 4)로 나타났으며, trig 1이 가장 우수한 타이밍 성능을 보였다.
• 저활성도 상태에서는 에너지 해상도가 12.4–12.9%로 안정되었고, 100 MBq에서 약 13.6%로 악화되었다.
• 저활성도에서 감도는 0.4%에서 1.4% 사이였으며, 100 MBq 이하에서는 무작위 비율이 5% 이하, 산산이 비율은 6%(411–561 keV) 또는 16%(250–625 keV)로 나타났다.
• 마우스 크기 환상체에서는 0.8 mm 크기의 막대가 식별 가능했지만, 소형이므로 ToF가 영상 품질 향상에 유의미한 영향을 주지 못했다.
• 래비트 크기 환상체에서는 trig 1(260 ps CRT)를 사용한 ToF가 비-ToF 및 다른 트리거 방식보다 영상 품질 향상이 뚜렷했다.
• 최고의 NECR는 낮은 온도(<10 °C), 낮은 초과전압(2.5 V), trig 1 또는 2에서 달성되었으며, 최적 설정은 활성도 및 물체 크기에 따라 달라졌다.