[论文解读] 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 12

一句话总结

本研究评估了基于零回波时间（ZTE）的衰减校正（ZTEAC）在脑部PET/MR中的应用，结果表明其在静态[18F]FDG和动态[18F]PE2I扫描中，相对于默认的图谱基衰减校正（AtlasAC），定量准确性显著更优。ZTEAC实现了接近CTAC水平的准确性，静态扫描中平均区域偏差仅为±0.1%，动态结合势（BPnd）为±1.5%，显著优于AtlasAC，后者表现出高达-31.6%至+16.6%的偏差及系统性的头尾梯度偏差。

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.

研究动机与目标

• 评估在临床扫描仪中，基于ZTE的衰减校正（ZTEAC）与CT基衰减校正（CTAC）及默认的图谱基衰减校正（AtlasAC）相比，在脑部PET/MR中的区域定量准确性。
• 评估ZTEAC在动态PET研究中的准确性，特别是对非可逆结合势（BPnd）等动力学建模参数的影响。
• 识别并量化当前临床图谱基衰减校正方法在脑部PET/MR中引入的系统性偏差，尤其是在高骨组织衰减区域。
• 验证ZTEAC作为图谱基方法的稳健、个体化替代方案的可行性，尤其适用于脑部解剖异常的患者。

提出的方法

• 在GE SIGNA PET/MR扫描仪上采集了30例静态[18F]FDG和11例动态[18F]PE2I PET/MR扫描数据。
• 使用三种衰减校正方法对所有数据进行重建：ZTEAC（研究工具）、AtlasAC（默认GE实现）和CTAC（同日PET/CT提供的金标准）。
• 采用Hammers图谱定义85个体素感兴趣区（VOIs），用于静态[18F]FDG扫描中的区域偏差分析。
• 在动态[18F]PE2I扫描中，采用简化参考组织模型，以小脑作为参考区域，计算纹状体区域的BPnd。
• 将偏差量化为ZTEAC和AtlasAC在VOIs中平均标准化摄取值（SUVmean）和BPnd上相对于CTAC的百分比偏差。
• 进行统计分析，评估偏差差异的显著性及其与解剖位置的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在静态脑部PET/MR中，基于ZTE的衰减校正与CT基衰减校正相比，其区域定量准确性如何？
• RQ2 在动态[18F]PE2I PET/MR研究中，使用ZTEAC与AtlasAC时，BPnd的偏差大小及其空间分布如何？
• RQ3 GE SIGNA PET/MR扫描仪中默认的AtlasAC方法是否在脑部PET定量中引入了系统性区域偏差？若存在，其位置和严重程度如何？
• RQ4 在动态动力学建模中，ZTEAC与CTAC相比表现如何，特别是在高示踪剂结合区域（如纹状体）？
• RQ5 ZTEAC能否在不依赖解剖图谱的情况下，可靠地替代CTAC用于定量脑部PET/MR，尤其在脑部解剖异常的患者中？

主要发现

• 在静态[18F]FDG扫描中，ZTEAC在85个体素感兴趣区（VOIs）中实现了0.1%（标准差2.0%）的平均区域偏差，范围为-8.0%至+7.7%，表明其接近CTAC的准确性。
• AtlasAC表现出显著更高的平均偏差（-0.4%，标准差4.3%），并呈现明显的头尾梯度，从小脑的-4.2%到左侧上额回的+6.6%不等。
• 在动态[18F]PE2I研究中，ZTEAC的平均BPnd偏差为1.5%（标准差1.4%），范围为-0.8%至+4.8%，表明其具有极佳的定量准确性。
• AtlasAC在纹状体区域引入了系统性BPnd高估，平均偏差达4.2%（标准差2.6%），范围为-0.6%至+9.4%，尤其影响尾状核和壳核。
• ZTEAC将AtlasAC引起的BPnd高估减少了约一半，表明其在动力学建模中具有更高的鲁棒性。
• ZTEAC的性能与既往多中心研究中的最先进方法相当，偏差范围和标准差相似，表明其具备临床可行性。