[論文レビュー] Regional accuracy of ZTE-based attenuation correction in static and dynamic brain PET/MR

Georg Schramm, Michel Koole+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2018

Medical Imaging Techniques and Applications参考文献 22被引用数 12

ひとこと要約

本研究は、脳PET/MRにおけるゼロエコー時間（ZTE）ベースの減衰補正（ZTEAC）を評価し、静的[18F]FDGおよび動的[18F]PE2I撮影において、デフォルトのアトラスベースAC（AtlasAC）に比べて定量的精度が優れていることを示した。ZTEACは、平均的領域バイアスが静的撮影で±0.1%、動的結合定数（BPnd）で±1.5%にとどまり、CTAC水準の精度に近く、AtlasACは最大-31.6%から+16.6%のバイアスと、頭位方向の系統的勾配を示し、顕著に劣っている。

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.

研究の動機と目的

• 臨床用PET/MRスキャナにおいて、ZTEベースの減衰補正（ZTEAC）の領域的定量的精度をCTベースAC（CTAC）およびデフォルトのアトラスベースAC（AtlasAC）と比較して評価すること。
• ZTEACが、非可逆的結合定数（BPnd）などのキネティックモデリングパラメータに特に影響を及ぼす動的PET研究においても高い精度を維持するかを評価すること。
• 現在の臨床的アトラスベースAC手法が、特に高減衰骨組織を有する領域で、脳PET定量に系統的バイアスを引き起こすかを同定および定量すること。
• ZTEACが、異常な脳解剖を有する患者においても、アトラスベース手法の代替として信頼性があり、患者特異的であるかを検証すること。

提案手法

• GE SIGNA PET/MRスキャナで、30例の静的[18F]FDGおよび11例の動的[18F]PE2I PET/MRスキャンを取得した。
• すべてのデータを、ZTEAC（研究用ツール）、AtlasAC（GEのデフォルト実装）、CTAC（同一日実施のPET/CTからの基準値）の3つの減衰補正法で再構成した。
• 静的[18F]FDGスキャンの領域バイアス分析に使用するため、Hammersのアトラスを用いて85の解剖的ボリュームオブインタレスト（VOI）を定義した。
• 動的[18F]PE2Iスキャンにおいて、便宜的参照組織モデルを用い、小脳を参照領域としてストライオタール領域のBPndを算出した。
• ZTEACおよびAtlasACのCTACからのパcent偏差としてバイアスを定量化し、VOI全体の平均標準取り込み値（SUVmean）およびBPndで評価した。
• バイアス差の有意性および解剖的位置との相関を評価する統計解析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静的脳PET/MRにおいて、ZTEベースの減衰補正はCTベースACと比較して、どの程度の領域的定量的精度を示すか？
• RQ2 動的[18F]PE2I PET/MR研究において、ZTEACとAtlasACを用いた場合のBPndにおけるバイアスの大きさと空間的分布はどのようになるか？
• RQ3 GE SIGNA PET/MRにおけるデフォルトのAtlasAC法は、脳PET定量に系統的バイアスを引き起こすか。もしそうならば、どこに、どの程度の重度のバイアスが生じるか？
• RQ4 ZTEACは、特に高トレーサー結合を示す領域（例：ストライオタール）において、CTACと比較して動的キネティックモデリングでどの程度の性能を示すか？
• RQ5 ZTEACは、解剖的アトラスに依存せず、異常な脳解剖を有する患者においても、CTACを信頼できる代替として代替可能か？

主な発見

• 静的[18F]FDGスキャンにおいて、ZTEACは85 VOI全体で平均領域バイアス0.1%（SD 2.0%）を達成し、範囲は-8.0%から+7.7%であった。これは、CTACにほぼ等しい精度を示した。
• AtlasACは、顕著な頭位方向勾配を示す有意に高い平均バイアス-0.4%（SD 4.3%）を示し、小脳で-4.2%、左上頭回で+6.6%の範囲であった。
• 動的[18F]PE2I研究において、ZTEACは平均BPndバイアス1.5%（SD 1.4%）を示し、範囲は-0.8%から+4.8%であった。これは優れた定量的精度を示した。
• AtlasACはストライオタールでBPndの系統的過大評価を引き起こし、平均バイアス4.2%（SD 2.6%）を示した。範囲は-0.6%から+9.4%であり、特に尾状核および被殻に影響を及ぼした。
• ZTEACは、AtlasACに起因するBPndの過大評価を約半減させ、キネティックモデリングにおいて優れたロバスト性を示した。
• ZTEACの性能は、過去の多施設研究で報告された最先端の手法と同等であり、同様のバイアス範囲と標準偏差を示した。臨床的実用性が裏付けられた。