[논문 리뷰] Regional accuracy of ZTE-based attenuation correction in static and dynamic brain PET/MR

Georg Schramm, Michel Koole외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 09.

Medical Imaging Techniques and Applications참고 문헌 22인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 뇌 PET/MR에서 제로 에코 타임(ZTE)-기반 감쇠 보정(ZTEAC)을 평가하여 정적 [18F]FDG 및 동적 [18F]PE2I 스캔에서 기본 아틀라스 기반 보정(AtlasAC)보다 더 뛰어난 정량적 정확도를 입증한다. ZTEAC는 평균 지역 편향이 정적 스캔에서 ±0.1%이며 동적 바인딩 양(이하 BPnd)에서 ±1.5%로 CTAC 수준의 정확도를 달성한다. 반면 AtlasAC는 최대 -31.6%에서 +16.6%의 편향과 체계적인 두개위-요추 방향 기울기를 보이며 뚜렷하게 열 劣한 성능을 보인다.

ABSTRACT

Accurate MR-based attenuation correction (MRAC) is essential for quantitative PET/MR imaging of the brain. In this study, we analyze the regional bias caused by MRAC based on Zero-Echo-Time MR images (ZTEAC) compared to CT-based AC (CTAC) in static and dynamic PET imaging. In addition the results are compared to the performance of the current default Atlas-based AC (AtlasAC) implemented in the GE SIGNA PET/MR. Methods: Thirty static [18F]FDG and 11 dynamic [18}F]PE2I acquisitions from a GE SIGNA PET/MR were reconstructed using ZTEAC (using a research tool, GE Healthcare), single-subject AtlasAC (the current default AC in GE's SIGNA PET/MR) and CTAC (from a PET/CT acquisition of the same day). In the 30 static [18F]FDG reconstructions, the bias caused by ZTEAC and AtlasAC in the mean uptake of 85 anatomical volumes of interest (VOIs) of the Hammers' atlas was analyzed in PMOD. For the 11 dynamic [18}F]PE2I reconstructions, the bias caused by ZTEAC and AtlasAC in the non displaceable binding potential BPnd in the striatum was calculated with cerebellum as the reference region and a simplified reference tissue model. Results: The regional bias caused by ZTEAC in the static [18F]FDG reconstructions ranged from -8.0% to +7.7% (mean 0.1%, SD 2.0%). For AtlasAC this bias ranged from -31.6% to +16.6% (mean -0.4%, SD 4.3%). The bias caused by AtlasAC showed a clear gradient in the cranio-caudal direction (-4.2% in the cerebellum, +6.6% in the left superior frontal gyrus). The bias in the striatal BPnd for the [18F]PE2I reconstructions ranged from -0.8% to +4.8% (mean 1.5%, SD 1.4%) using ZTEAC and from -0.6% to +9.4% using AtlasAC (mean 4.2%, SD 2.6%). Conclusion: ZTEAC provides excellent quantitative accuracy for static and dynamic brain PET/MR, comparable to CTAC, and is clearly superior to the default AtlasAC currently implemented in the GE SIGNA PET/MR.

연구 동기 및 목표

• 임상 스캐너에서 ZTE 기반 감쇠 보정(ZTEAC)의 지역적 정량적 정확도를 CT 기반 보정(CTAC) 및 기본 아틀라스 기반 보정(AtlasAC)과 비교 평가하는 것.
• ZTEAC가 동적 PET 연구에서, 특히 비가역적 결합 양(이하 BPnd)과 같은 동적 모델링 파라미터에 대해 높은 정확도를 유지하는지 평가하는 것.
• 현재 임상적 아틀라스 기반 보정 방법이 뇌 PET/MR에서 고골 감쇠가 높은 영역에서 유발하는 체계적 편향을 규명하고 정량화하는 것.
• 특히 뇌 해부학적 기형이 있는 환자에서 ZTEAC가 아틀라스 기반 방법에 비해 신뢰할 수 있는 환자별 보정 대안으로 기능하는지 검증하는 것.

제안 방법

• GE SIGNA PET/MR 스캐너에서 30건의 정적 [18F]FDG 및 11건의 동적 [18F]PE2I PET/MR 스캔을 확보하였다.
• 모든 데이터를 세 가지 감쇠 보정 방법으로 재구성: ZTEAC(연구용 도구), AtlasAC(기본 GE 구현), CTAC(동일 일자 PET/CT에서 확보한 기준값).
• 정적 [18F]FDG 스캔에서 지역 편향 분석을 위해 Hammers의 아틀라스를 사용해 85개 해부학적 볼륨 오브 이ント레스트(VOI)를 정의하였다.
• 동적 [18F]PE2I 스캔에서 스트리아탈 영역의 BPnd를 계산하기 위해 대뇌피질을 기준 영역으로 사용한 단순화된 참조 조직 모델을 적용하였다.
• ZTEAC 및 AtlasAC의 CTAC 대비 평균 표준화된 집합량(SUVmean) 및 BPnd에서의 편향을 백분율 기준으로 정량화하였다.
• 해부학적 위치와의 상관관계를 평가하기 위해 편향 차이의 유의성 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정적 뇌 PET/MR에서 ZTE 기반 감쇠 보정은 CT 기반 보정과 비교해 지역적 정량적 정확도 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ2 동적 [18F]PE2I PET/MR 연구에서 ZTEAC 대비 AtlasAC를 사용할 경우 BPnd의 크기 및 공간 분포는 어떻게 되는가?
• RQ3 GE SIGNA PET/MR에서 기본 AtlasAC 방법이 뇌 PET 정량화에 체계적 지역 편향을 유발하는가? 만약 그렇다면 어디서 발생하며 얼마나 심각한가?
• RQ4 특히 스트리아탈과 같은 고트레이서 결합 영역에서 ZTEAC는 CTAC 대비 동적 동역학 모델링에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 특히 뇌 해부학적 기형이 있는 환자에서 ZTEAC는 아틀라스 기반 방법에 의존하지 않고 CTAC를 신뢰성 있게 대체할 수 있는가?

주요 결과

• 정적 [18F]FDG 스캔에서 ZTEAC는 85개 VOI에서 평균 지역 편향이 0.1% (표준편차 2.0%)를 기록했으며, 범위는 -8.0%에서 +7.7%까지 다양하여 CTAC 수준의 정확도를 입증하였다.
• AtlasAC는 평균 편향가 -0.4% (표준편차 4.3%)로 유의미하게 더 높았으며, 두개위-요추 방향 기울기가 뚜렷하게 나타났으며, 소뇌에서 -4.2%에서 좌측 상부 전두엽에서 +6.6%까지 변동하였다.
• 동적 [18F]PE2I 연구에서 ZTEAC는 평균 BPnd 편향이 1.5% (표준편차 1.4%)를 기록했으며, 범위는 -0.8%에서 +4.8%까지로 뛰어난 정량적 정확도를 보였다.
• AtlasAC는 스트리아탈에서 BPnd를 체계적으로 과대평가했으며, 평균 편향이 4.2% (표준편차 2.6%)였고, 범위는 -0.6%에서 +9.4%까지로, 특히 피부질핵과 피질핵에 영향을 미쳤다.
• ZTEAC는 AtlasAC에 의해 유도된 BPnd 과대평가를 약 절반으로 감소시켜 동적 모델링에서 더 뛰어난 강건성을 입증하였다.
• ZTEAC의 성능은 이전 다기관 연구에서 보고된 최첨단 방법과 유사한 편향 범위와 표준편차를 보였으며, 임상적 실현 가능성을 시사한다.