Recovery-Koeffizienten zur Quantifizierung der arteriellen Inputfunktion aus dynamischen PET-Messungen: experimentelle und theoretische Bestimmung

Summary

Aim: For kinetic modelling of dynamic PET data, the arterial input function can be determined directly from the PET scans if a large artery is visualized on the images. It was the purpose of this study to experimentally and theoretically determine recovery coefficients for cylinders as a function of the diameter and level of background activity. Methods: The measurements were performed using a phantom with seven cylinder inserts (Ø = 5-46 mm). The cylinders were filled with an aqueous ⁶⁸Ga solution while the main chamber was filled with a ¹⁸F solution in order to obtain a varying concentration ratio between the cylinders and the background due to the different isotope half lives. After iterative image reconstruction, the activity concentrations were measured in the center of the cylinders and the recovery coefficients were calculated as a function of the diameter and the background activity. Based on the imaging properties of the PET system, we also developed a model for the quantitative assessment of recovery coefficients. Results: The functional dependence of the measured recovery data from the cylinder diameter and the concentration ratio is well described by our model. For dynamic PET measurements, the recovery correction must take into account the decreasing concentration ratio between the blood vessel and the surrounding tissue. Under the realized measurement and data analysis conditions, a recovery correction is required for vessels with a diameter of up to 25 mm. Conclusions: Based on the experimentally verified model, the activity concentration in large arteries can be calculated from the measured activity concentration in the blood vessel and the background activity. The presented approach offers the possibility to determine the arterial input function for pharmacokinetic PET studies non-invasively from large arteries (especially the aorta).

Zusammenfassung

Ziel: Für die Modellierung dynamischer PET-Daten kann die arterielle Inputfunktion direkt aus PET-Aufnahmen gewonnen werden, falls eine größere Arterie auf den Bildern dargestellt ist. Ziel dieser Arbeit war es, Recovery-Koeffizienten für Zylinder als Funktion des Durchmessers und der Hintergrundaktivität experimentell und theoretisch zu bestimmen. Methodik: Die PET-Messungen erfolgten an einem Phantom mit sieben zylinderförmigen Einsätzen (Ø = 5-46 mm). Die Zylinder wurden mit einer wässrigen ⁶⁸Ga-Lösung und die Hauptkammer mit einer ¹⁸F-Lösung gefüllt, sodass sich aufgrund der unterschiedlichen Halbwertszeiten eine Variation des Konzentrationsverhältnisses zwischen den Zylindern und dem Hintergrund ergab. Nach iterativer Bildrekonstruktion wurden die Aktivitätskonzentrationen im Zentrum der Zylinder bestimmt und die Recovery-Koeffizienten als Funktion des Durchmessers und der Hintergrundaktivität berechnet. Ferner wurde ausgehend von den Abbildungseigenschaften des PET-Systems ein Modell für die Beschreibung der Recovery-Koeffizienten entwickelt. Ergebnisse: Die Abhängigkeit der gemessenen Recovery-Werte vom Zylinderdurchmesser und vom Konzentrationsverhältnis wird durch das formulierte Modell gut beschrieben. Bei dynamischen PET-Messungen muss bei der Recovery-Korrektur das abnehmende Konzentrationsverhältnis zwischen dem Gefäß und dem umgebenden Gewebe berücksichtigt werden. Unter den realisierten Mess- und Auswertebedingungen ist bis zu einem Gefäßdurchmesser von 25 mm eine Recovery-Korrektur erforderlich. Schlussfolgerungen: Basierend auf dem experimentell verifizierten Modellansatz kann die Aktivitätskonzentration in größeren Arterien aus der im Gefäß gemessenen Aktivitätskonzentration und der Hintergrundaktivität berechnet werden. Das eröffnet die Möglichkeit, die arterielle Inputfunktion für pharmakokinetische Analysen nichtinvasiv aus größeren Arterien (insbesondere der Aorta) zu bestimmen.

Keywords

Positron emission tomography - arterial input function - recovery coefficients - spatial resolution

Schlüsselwörter

Positronen-Emissions-Tomographie - arterielle Inputfunktion - Recovery-Koeffizienten - räumliche Auflösung

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