Subscribe to RSS
DOI: 10.1055/s-0038-1625594
High resolution reconstruction of PET images using the iterative OSEM algorithm
Auflösungsverbessernde Rekonstruktion von PET-Bildern mit dem iterativen OSEM-AlgorithmusPublication History
Eingegangen:
22 August 2003
angenommen nach Revision:
29 December 2003
Publication Date:
10 January 2018 (online)
![](https://www.thieme-connect.de/media/10.1055-s-00034924/200403/lookinside/thumbnails/10-1055s-0038-1625594_de-1.jpg)
Summary
Aim: Improvement of the spatial resolution in positron emission tomography (PET) by incorporation of the image-forming characteristics of the scanner into the process of iterative image reconstruction.
Methods: All measurements were performed at the whole-body PET system ECAT EXACT HR+ in 3D mode. The acquired 3D sinograms were sorted into 2D sinograms by means of the Fourier rebinning (FORE) algorithm, which allows the usage of 2D algorithms for image reconstruction. The scanner characteristics were described by a spatially variant line-spread function (LSF), which was determined from activated copper-64 line sources. This information was used to model the physical degradation processes in PET measurements during the course of 2D image reconstruction with the iterative OSEM algorithm. To assess the performance of the high-resolution OSEM algorithm, phantom measurements performed at a cylinder phantom, the hotspot Jaszczack phantom, and the 3D Hoffmann brain phantom as well as different patient examinations were analyzed. Results: Scanner characteristics could be described by a Gaussian-shaped LSF with a full-width at half-maximum increasing from 4.8 mm at the center to 5.5 mm at a radial distance of 10.5 cm. Incorporation of the LSF into the iteration formula resulted in a markedly improved resolution of 3.0 and 3.5 mm, respectively. The evaluation of phantom and patient studies showed that the high-resolution OSEM algorithm not only lead to a better contrast resolution in the reconstructed activity distributions but also to an improved accuracy in the quantification of activity concentrations in small structures without leading to an amplification of image noise or even the occurrence of image artifacts. Conclusion: The spatial and contrast resolution of PET scans can markedly be improved by the presented image restauration algorithm, which is of special interest for the examination of both patients with brain disorders and small animals.
Zusammenfassung
Ziel: Verbesserung der räumlichen Auflösung in der Positronenemissionstomographie (PET) durch Berücksichtigung der Abbildungseigenschaften des Scanners bei der iterativen Bildrekonstruktion.
Methodik: Alle Messungen erfolgten am GanzkörperPET-System ECAT EXACT HR+ im 3D-Modus. Die 3D-Sinogramme wurden mit dem Fourier-Rebinning-Algorithmus (FORE) in 2D-Sinogramme umsortiert, so dass für die Bildrekonstruktion 2D-Algorithmen eingesetzt wurden. Die Abbildungseigenschaften des Scanners wurden durch eine räumlich veränderliche Linienabbildungsfunktion (LSF) charakterisiert, die mit Kupfer-64-Linienquellen vermessen wurde. Diese Information wurde verwendet, um die physikalischen Prozesse, die bei der PET-Mes-sung zur Auflösungsverschlechterung führen, bei der 2D-Bildrekonstruktion mit dem iterativen OSEM-Algorithmus zu berücksichtigen. Um die Abbildungseigenschaften des hochauflösenden OSEM-Algorithmus zu evaluieren, wurden Messungen an einem Zylinder-, dem Hotspot-Jaszczack- und dem Hoffmann-3D-Brain-Phantom sowie Patientenuntersuchungen analysiert. Ergebnisse: Die Abbildungscharakteristika des Scanners konnten durch eine Gauss-förmige LSF beschrieben werden, deren Halbwertsbreite von 4,8 mm im Zentrum auf 5,5 mm im radialen Abstand von 10,5 cm zunimmt. Durch die Einbeziehung der LSF in die Iterations-formel konnte die räumliche Auflösung über das betrachtete Gesichtsfeld auf 3,0 bzw. 3,5 mm verbessert werden. Die Auswertung ergab, dass der hochauflösende OSEM-Algorithmus zu einer besseren Kontrastauflösung in den Aktivitätsverteilungen führt und zu einer erhöhten Genauigkeit bei der Quantifizierung von Aktivitätskonzentrationen in kleinen Strukturen, ohne dass es zu einem Anstieg des Bildrauschens oder gar zur Ausbildung von Artefakten kommt.
Schlussfolgerung: Die Orts- und Kontrastauflösung von PET-Bildern kann durch den evaluierten Restaurationsalgorithmus deutlich verbessert werden, was für die Untersuchung von Patienten mit Hirnerkrankungen als auch von Kleintieren von Interesse ist.
-
Literatur
- 1 Adam LE, Zaers J, Ostertag H. et al. Performance evaluation of the whole-body PET scanner ECAT EXACT HR+ following the IEC standard. IEEE Trans Nucl Sci 1997; 44: 1172-9.
- 2 Andrews HC, Hunt BR. Digital image restoration. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice-Hall; 1977
- 3 Brix G, Zaers J, Adam LE. et al. Performance evaluation of a whole-body PET scanner using the NEMA protocol. J Nucl Med 1997; 38: 1614-23.
- 4 Brix G, Doll J, Bellemann ME. et al. Use of scanner characteristics in iterative image reconstruction for high-resolution positron emission tomography studies of small animals. Eur J Nucl Med 1997; 24: 779-86.
- 5 Defrise M. A factorization method for the 3D X-ray transform. Inverse Problems 1995; 11: 983-94.
- 6 Defrise M, Kinahan PE, Townsend DW. et al. Exact and approximate rebinning algorithms for 3D-PET data. IEEE Trans Med Imaging 1997; 16: 145-58.
- 7 Derenzo SE. Mathematical removal of positron range blurring in high resolution tomography. IEEE trans Nucl Sci 1986; 33: 565-9.
- 8 Doll J, Zairs J, Trojan H. et al. Optimierung der Bildqualität von PET-Aufnahmen durch 3D-Datenakquisition und iterative Bildrekonstruktion. Nuklearmedizin 1998; 37: 62-7.
- 9 Hoffmann EJ, Huang SC, Phelps ME. Quantitation in positron emission computed tomography. 1. Effect of object size. J Comput Assist Tomogr 1979; 3: 299-308.
- 10 Hudson HM, Larkin RS. Accelerated image reconstruction using ordered subsets of projection data. IEEE Trans Med Image 1994; 13: 68-78.
- 11 Huesman RH, Salmeron EM, Baker JR. Compensation for crystal penetration in high resolution positron tomography. IEEE Trans Nucl Sci 1989; 36: 1084-9.
- 12 Jansson PA. Deconvolution of images and spectra. London, San Diego: Academic press; 1997
- 13 Kaczmarz S. Angenäherte Auflösung von Systemen linearer Gleichungen. Bull Int Acad Pol Sci Lett 1937; 35: 335-57.
- 14 Kamphuis C, Beekman FJ, Viergever MA. et al. Accelerated fully 3D SPECT reconstruction using dual matrix ordered subsets. J Nucl Med 1996; 37: 6P.
- 15 Liang Z. Detector response restoration in image reconstruction of high resolution positron emission tomography. IEEE Trans Med Imaging 1994; 13: 314-21.
- 16 Luig H, Eschner W, Bähre M. et al. Eine iterative Strategie zur Bestimmung der Quellvertei-lung bei der Einzelphotonen-Tomographie mit einer rotierenden Gammakamera (SPECT). Nuklearmedizin 1988; 27: 140-6.
- 17 Moses WW, Derenzo WW. Empirical observation of performance degradation in positron emission tomographs utilizing block detectors. J Nucl Med 1993; 34: 101P.
- 18 Moses WW, Virador PRG, Derenzo WW. et al. Design of a high-resolution, high-sensitive PET camera for human brains and small animals. IEEE Trans Nucl Sci 1997; 44: 1487-91.
- 19 Schmidlin P, Bellemann ME, Brix G. Subsets and overrelaxation in image reconstruction. Phys Med Biol 1999; 44: 1385-96.
- 20 Shepp L, Vardi Y. Maximum likelihood reconstruction for emission tomography. IEEE Trans Med Imaging 1982; 1: 113-22.
- 21 Vardi Y, Shepp LA, Kaufman L. A statistical model for positron emission tomography. J Am Stat Assoc 1985; 80: 8-20.
- 22 Webb S. The mathematics of image formation and image processing. In: Webb S. (ed). The physics of medical imaging. Bristol, Philadelphia: Institute of Physics Publishing; 1988: 534-66.
- 23 Webb S, Long AP, Ott RJ. et al. Constrained de-convolution of SPECT liver tomograms by direct digital image restoration. Med Phys 1985; 12: 53-8.
- 24 Webb S. Comparison of data-processing techniques for the improvement of contrast in SPET liver tomograms. Phys Med Biol 1985; 30: 1077-86.
- 25 Zeng GL, Gullberg GT. Valid backprojection matrices which are not the transpose of the projection matrix. J Nucl Med 1996; 37: 206P.