Evaluation of an analytical image reconstruction algorithm in dynamic small animal positron emission tomography

Abstract

The current doctorate thesis aims to evaluate the performance of the Spline Reconstruction Technique (SRT) for both static and dynamic small animal PET imaging. SRT is a recently proposed algorithm based on a novel numerical implementation of an analytic representation of the inverse Radon transform. The algorithm is formulated in the “physical space” and can be applied to various imaging modalities, including PET, Computed Tomography (CT), and Single-photon Emission Computed Tomography (SPECT). In previous PET studies, SRT was primarily assessed using simulated phantom data from a clinical PET system, along with real phantom data acquired from clinical PET scanners under static imaging conditions. To achieve this goal, two comparative studies were designed to evaluate SRT against established reconstruction methods.The purpose of the static imaging evaluation was to provide a comparison between SRT, Filtered-backprojection (FBP), Ordered Subset Expectation Maximization 2D (2D-OSEM), and the Tera-Tomo 3D algorithm, using both phantom and small animal data obtained from the Mediso nanoScan® PET/CT scanner. All 2D reconstructions were performed via software for tomographic image reconstruction (STIR open-source software, version 3.0). For the phantom study, the “NEMA NU 4-2008 small animal PET standard” was employed at five different realizations (R=5). In addition to the suggested acquisition duration of 1200 seconds, four supplementary acquisitions (12 s, 60 s, 300 s, and 600 s) were employed to investigate the performance of the algorithms under low-count imaging conditions. According to the “NEMA NU 4-2008 standards” protocol, the three main regions of the Image Quality (IQ) phantom are associated with the assessment of three image quality metrics: Percentage Standard Deviation (%STD), Recovery Coefficient (RC), and Spill-Over Ratio (SOR). %STD is a measure of image uniformity (image noise), RC quantifies the “activity recovery” in environments with zero activity background, therefore is indicative of the spatial resolution of the imaging system, and SOR is a measure of the scanner’s ability to perform scatter correction. In addition to the image quality metrics described by the “NEMA NU 4-2008 standards” protocol, Cold Region Contrast (Ccold) was also considered as a figure-of-merit. Both SOR and Ccold are two key indicators of an algorithm’s ability to distinguish between active (hot) and inactive (cold) regions. Lastly, to compare the algorithms at equal noise levels, plots of RC and SOR as a function of %STD were generated after smoothing the phantom reconstructions using four different Gaussian filters (0.5x, 1x, 1.5x, and 2x sigma). For the animal study, Ccold was adapted in the myocardial infarction region of six male Wistar rats (n=6). Furthermore, volumetric defect quantification was assessed using dedicated computer software (Munich Heart software packages). Statistical significance was determined by employing the Kruskal-Wallis test or One-way Analysis of Variance depending on the normality of the variable’s distribution. The purpose of the dynamic imaging evaluation was to provide a comparison between SRT, FBP, and the Tera-Tomo 3D algorithm in terms of their effect on quantifying the myocardial metabolic rate of glucose (MRGlu), using small animal data obtained from the Mediso nanoScan® PET/CT scanner. For this purpose, Patlak graphical kinetic analysis was employed to noninvasively quantify MRGlu in seven male C57BL/6 mice (n=7). All analytic reconstructions were performed via software for tomographic image reconstruction (STIR open-source software, version 3.0). Analysis of all PET reconstructed images was conducted via PMOD software (version 3.506) using the inferior vena cava as the image-derived input function. Statistical significance was determined by employing the one-way analysis of variance test. The static imaging evaluation revealed that, at the expense of slightly increased noise (%STD) in the reconstructed images, SRT resulted in higher RC values for small hot regions of interest, when compared to FBP and 2D-OSEM across all acquisition durations. Furthermore, SRT reconstructed images exhibited higher RC values, for all hot regions of interest, when compared to the other 2D algorithms at shorter acquisition durations. In both phantom and animal studies, SRT demonstrated a significant improvement over 2D-OSEM in terms of SOR and Ccold. Importantly, the advantages of SRT were maintained even after comparing the algorithms at equal noise levels. The Tera-Tomo 3D algorithm (4 subsets, iterations ≥ 13) performed significantly better compared to the other algorithms for all figures-of-merit. The absence of statistically significant differences (p>0.05) regarding myocardial defect size among the algorithms investigated suggests that SRT is a promising reconstruction method for evaluating myocardial viability. Overall, SRT appears that could be useful for the quantification of small hot regions of interest, cold regions of interest, as well as in low-count imaging applications. The dynamic imaging evaluation revealed that the differences between the values of MRGlu obtained via SRT versus FBP, and the variants of the Tera-Tomo 3D algorithm were not statistically significant (p>0.05). Overall, SRT appears to perform similarly to the other algorithms investigated, providing a valid alternative analytic method for preclinical dynamic PET studies. The findings of this comprehensive evaluation highlight the potential of SRT in both static and dynamic preclinical PET imaging settings.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στην αξιολόγηση της απόδοσης της Τεχνικής Ανακατασκευής μέσω συναρτήσεων Spline (SRT) τόσο στη στατική όσο και στη δυναμική απεικόνιση PET μικρών ζώων. Ο SRT αποτελεί έναν πρόσφατα προτεινόμενο, αναλυτικό αλγόριθμο, βασισμένο σε μία νέα αριθμητική αναπαράσταση του αντίστροφου μετασχηματισμού Radon. Ο αλγόριθμος εφαρμόζεται στον τριδιάστατο χώρο και δύναται να αξιοποιηθεί σε διάφορες απεικονιστικές μεθόδους, συμπεριλαμβανομένων της PET, της Υπολογιστικής Τομογραφίας (CT) και της Τομογραφίας Εκπομπής Απλού Φωτονίου (SPECT). Σε προηγούμενες μελέτες PET, ο SRT αξιολογήθηκε κυρίως με τη χρήση προσομοιωμένων δεδομένων ομοιωμάτων καθώς και με πραγματικά δεδομένα ομοιωμάτων που αποκτήθηκαν από κλινικούς τομογράφους υπό στατικές συνθήκες απεικόνισης. Για την επίτευξη του στόχου της παρούσας διδακτορικής διατριβής, σχεδιάστηκαν δύο συγκριτικές μελέτες με σκοπό την αξιολόγηση του SRT έναντι καθιερωμένων μεθόδων ανακατασκευής. Ο σκοπός της στατικής μελέτης ήταν η συγκριτική αξιολόγηση των αλγορίθμων SRT, FBP (Φιλτραρισμένη Οπισθοπροβολή), 2D-OSEM και Tera-Tomo 3D, με τη χρήση δεδομένων ομοιωμάτων καθώς και δεδομένων μικρών ζώων που αποκτήθηκαν μέσω του τομογράφου Mediso nanoScan® PET/CT. Όλες οι 2D ανακατασκευές πραγματοποιήθηκαν μέσω του λογισμικού ανοικτού κώδικα STIR (έκδοση 3.0). Για τη μελέτη ομοιωμάτων, εφαρμόστηκε το πρωτόκολλο μικρών ζωών “NEMA NU 4-2008” σε πέντε διαφορετικές επαναλήψεις (R=5). Πέραν της προτεινόμενης διάρκειας λήψης των 1200 δευτερολέπτων, πραγματοποιήθηκαν τέσσερις συμπληρωματικές λήψεις (12 s, 60 s, 300 s και 600 s), με σκοπό τη διερεύνηση της απόδοσης των αλγορίθμων υπό συνθήκες απεικόνισης με χαμηλό αριθμό κρούσεων. Σύμφωνα με το πρωτόκολλο “NEMA NU 4-2008”, οι τρεις κύριες περιοχές του ομοιώματος IQ (Image Quality) σχετίζονται με την αξιολόγηση τριών δεικτών ποιότητας εικόνας: τη Ποσοστιαία Τυπική Απόκλιση (%STD), το Συντελεστή Ανάκτησης (RC) και το Λόγο Υπερχείλισης (SOR). Η %STD αποτελεί δείκτη “ομοιομορφίας” της εικόνας (επίπεδα θορύβου), ο RC είναι ενδεικτικός της χωρικής διακριτικής ικανότητας του απεικονιστικού συστήματος, ενώ ο SOR αξιολογεί την ικανότητα του τομογράφου να εκτελεί διόρθωση της σκέδασης. Πέραν των δεικτών ποιότητας εικόνας που περιγράφονται στο εν λόγω πρωτόκολλο, η Αντίθεση Ψυχρής Περιοχής (Ccold) συμπεριλήφθηκε επίσης ως δείκτης αξιολόγησης. Τόσο ο SOR όσο και η Ccold αποτελούν βασικούς δείκτες της ικανότητας ενός αλγορίθμου να διακρίνει μεταξύ ενεργών (θερμών) και ανενεργών (ψυχρών) περιοχών. Τέλος, για τη σύγκριση των αλγορίθμων σε ίσα επίπεδα θορύβου, δημιουργήθηκαν διαγράμματα του RC και του SOR ως συνάρτηση της %STD, μετά την εξομάλυνση των ανακατασκευασμένων εικόνων των ομοιωμάτων με τη χρήση τεσσάρων διαφορετικών Γκαουσιανών φίλτρων (0.5x, 1x, 1.5x, και 2x). Για τη μελέτη μικρών ζώων, η Ccold προσαρμόστηκε στην περιοχή εμφράγματος του μυοκαρδίου σε έξι αρσενικούς αρουραίους Wistar (n=6). Επιπρόσθετα, η ποσοτικοποίηση του ογκομετρικού ελλείμματος (MI%) πραγματοποιήθηκε με τη χρήση εξειδικευμένου λογισμικού (Munich Heart software packages). Η στατιστική σημαντικότητα προσδιορίστηκε με τη χρήση του ελέγχου Kruskal-Wallis ή της μονοπαραγοντικής ανάλυσης διασποράς (One-way ANOVA), ανάλογα με την κανονικότητα της κατανομής της υπό μελέτη μεταβλητής. Ο σκοπός της δυναμικής μελέτης ήταν η συγκριτική αξιολόγηση των αλγορίθμων SRT, FBP και Tera-Tomo 3D ως προς την επίδρασή τους στην ποσοτικοποίηση του μεταβολικού ρυθμού πρόσληψης της γλυκόζης (MRGlu), με τη χρήση δεδομένων PET μικρών ζώων που αποκτήθηκαν από τον τομογράφο Mediso nanoScan® PET/CT. Για την επίτευξη του σκοπού αυτού, εφαρμόστηκε η γραφική κινητική ανάλυση Patlak, με στόχο τη μη επεμβατική ποσοτικοποίηση του MRGlu στο μυοκάρδιο επτά αρσενικών ποντικιών C57BL/6 (n=7). Όλες οι αναλυτικές ανακατασκευές πραγματοποιήθηκαν μέσω του λογισμικού ανοικτού κώδικα STIR (έκδοση 3.0). Η ανάλυση όλων των ανακατασκευασμένων εικόνων PET διενεργήθηκε μέσω του λογισμικού PMOD (έκδοση 3.506), χρησιμοποιώντας την κάτω κοίλη φλέβα ως IDIF (Image-Derived Input Function). Η στατιστική σημαντικότητα προσδιορίστηκε με τη χρήση της μονοπαραγοντικής ανάλυσης διασποράς. Η στατική μελέτη ανέδειξε ότι, παρά τον ελαφρώς αυξημένο θόρυβο στις ανακατασκευασμένες εικόνες (%STD), ο αλγόριθμος SRT παρήγαγε υψηλότερες τιμές RC για τις μικρές θερμές περιοχές ενδιαφέροντος, σε σύγκριση με τους αλγορίθμους FBP και 2D-OSEM, σε όλα τα χρονικά διαστήματα λήψης. Επιπλέον, οι εικόνες που ανακατασκευάστηκαν με τον αλγόριθμο SRT παρουσίασαν υψηλότερες τιμές RC για όλες τις θερμές περιοχές ενδιαφέροντος, σε σύγκριση με τους λοιπούς δισδιάστατους αλγορίθμους, κατά τα μικρότερα χρονικά διαστήματα λήψης. Τόσο στη μελέτη ομοιωμάτων όσο και στη μελέτη των μικρών ζώων, ο αλγόριθμος παρουσίασε σημαντική βελτίωση έναντι του 2D-OSEM όσον αφορά τους δείκτες ποιότητας εικόνας SOR και Ccold. Αξιοσημείωτο είναι ότι τα πλεονεκτήματα του SRT διατηρήθηκαν ακόμη και μετά τη σύγκριση των αλγορίθμων σε ίσα επίπεδα θορύβου. Ο Tera-Tomo 3D (4 υποσύνολα, αριθμός επαναλήψεων ≥ 13) παρουσίασε σημαντικά καλύτερη απόδοση σε σύγκριση με τους υπόλοιπους αλγορίθμους ανακατασκευής για όλους τους δείκτες αξιολόγησης. Η απουσία στατιστικά σημαντικών διαφορών (p>0.05) ως προς τον υπολογισμό του MI% μεταξύ των αλγορίθμων που μελετήθηκαν υποδηλώνει ότι ο SRT αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη μέθοδο ανακατασκευής για την αξιολόγηση της βιωσιμότητας του μυοκαρδίου. Συνολικά, ο SRT φαίνεται ότι θα μπορούσε να αποτελέσει ένα χρήσιμο εργαλείο για την ποσοτικοποίηση μικρών θερμών περιοχών ενδιαφέροντος, ψυχρών περιοχών ενδιαφέροντος, καθώς και για εφαρμογές απεικόνισης με χαμηλό αριθμό κρούσεων. Η δυναμική μελέτη ανέδειξε ότι οι διαφορές μεταξύ των τιμών του MRGlu που υπολογίστηκαν με τον αλγόριθμο SRT, σε σύγκριση με τον FBP και με τον Tera-Tomo 3D, δεν ήταν στατιστικά σημαντικές (p>0.05). Συνολικά, ο SRT φαίνεται να παρουσιάζει παρόμοια απόδοση με τους άλλους αλγορίθμους που μελετήθηκαν, προσφέροντας μια αξιόπιστη εναλλακτική αναλυτική μέθοδο για προκλινικές δυναμικές μελέτες PET. Τα ευρήματα αυτής της ολοκληρωμένης αξιολόγησης υπογραμμίζουν τη δυναμική του αλγορίθμου SRT τόσο στη στατική όσο και στη δυναμική προκλινική απεικόνιση PET.