Effects of patient motion on absolute quantification of glucose metabolism in cardiac positron emission tomography (PET) [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Jörg Eckardt
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01 janvier 2003
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Aus dem Universitatsklinikum Munster Klinik und Poliklinik fur Nuklearmedizin- Direktor: Univ.-Prof. Dr. Dr. Otmar Schober -E ects of Patient Motion on AbsoluteQuanti cation of Glucose Metabolism in CardiacPositron Emission Tomography (PET)INAUGURAL-DISSERTATIONzurErlangung des doctor rerum medicinaliumder Medizinischen Fakultatder Westfalischen Wilhelms-Universitat Munster vorgelegt von Jorg Eckardtaus Munster2003Gedruckt mit Genehmigung der Medizinischen Fakultat der Westfalischen Wilhelms-Universitat MunsterDekan: Univ.-Prof. Dr. Heribert Jurgens1. Berichterstatter: Dr. Dr. Otmar Schober2. Berich Univ.-Prof. Dr. Walter Leonard HeindelTag der mundlic hen Prufung: 25.09 und 01.10.2003Aus dem Universitatsklinikum Munster Klinik und Poliklinik fur Nuklearmedizin- Direktor: Univ.-Prof. Dr. Dr. Otmar Schober -Referent: Dr. Dr. Otmar SchoberKoreferent: Univ.-Prof. Dr. Walter Leonard HeindelZusammenfassungE ects of Patient Motion on Absolute Quanti cationin Cardiac Positron Emission Tomography (PET)Jorg EckardtDie Positronen-Emissions-Tomographie (PET) stellt eine der leistungs-fahigsten Methoden zur Bestimmung myokardialer Vitalitat dar, deren Be-stimmung fur die Prognose und Therapie von Patienten mit koronarer Herz-erkrankung elementar ist.Ziel der vorliegenden Arbeit war es, das Auftreten und die Ein usse vonPatientenbewegung anhand von klinischen und simulierten Daten zu unter-suchen.
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Aus dem Universitatsklinikum Munster
Klinik und Poliklinik fur Nuklearmedizin
- Direktor: Univ.-Prof. Dr. Dr. Otmar Schober -
E ects of Patient Motion on Absolute
QuanticationofGlucoseMetabolisminCardiac
Positron Emission Tomography (PET)
INAUGURAL-DISSERTATION
zur
Erlangung des doctor rerum medicinalium
der Medizinischen Fakultat
der Westfalischen Wilhelms-Universitat Munster
vorgelegtvonJorgEckardt
aus Munster
2003
Gedruckt
mit
Universitat
Genehmigung
Munster
der
Medizinischen
Fakult
at
der
Westfalischen
Wilhelms-
Tag
der
1.
2.
Dekan:
Berichterstatter:
Berichterstatter:
mundlichen Prufung:
Univ.-Prof.
Univ.-Prof.
Univ.-Prof.
Dr.
Dr.
Dr.
Heribert
Jurgens
Dr. Otmar Schober
Walter Leonard Heindel
25.09 und 01.10.2003
Aus dem Universitatsklinikum Munster Klinik und Poliklinik fur Nuklearmedizin - Direktor: Univ.-Prof. Dr. Dr. Otmar Schober -Referent: Univ.-Prof. Dr. Dr. Otmar Schober Koreferent: Univ.-Prof. Dr. Walter Leonard Heindel Zusammenfassung E ectsofPatientMotiononAbsoluteQuantication in Cardiac Positron Emission Tomography (PET) g Eck Jor ardt Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) stellt eine der leistungs-fahigstenMethodenzurBestimmungmyokardialerVitalitatdar,derenBe-stimmung fur die Prognose und Therapie von Patienten mit koronarer Herz-erkrankung elementar ist. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, das Auftreten und die Ein
usse von Patientenbewegung anhand von klinischen und simulierten Daten zu unter-suchen. Ein numerisches H u entwick t, die E erzmodell wurde ne el in
usse von tlichen Bewegungen auf das Modell und klinische Daten untersucht und kuns diese Ergebnisse mit bewegungskontaminierten klinischen Daten verglichen. Es wurde festgestellt, dass Patientenbewegung in mehr als einem Drit-tel der PET-Untersuchungen auftritt. Die simulierten Bewegungsartefakte zeigten gleiche Ergebnisse fur das Modell und die klinischen Daten. Der VergleichmitklinischenBewegungsartefaktenbestatigtdieseErgebnisse. Tag der mundlichen Prufung: 25.09 und 01.10.2003
CONTENTS Contents
1 Introduction
4
9
2 Basics 11 2.1 Detection of Myocardial Viability . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 Positron Emission Tomography . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3 Aim
30
4 Material and Methods 31 4.1 Registration and Correction of Patient Motion . . . . . . . . 31 4.2 Software Phantom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.3 Patient Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.4 Simulation of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.5 PET-Scanner and Image Reconstruction . . . . . . . . . . . . 39 4.6 Quantitative Analysis of Glucose Metabolism . . . . . . . . . 40 4.7 Software Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5 Results 42 5.1 Clinical Relevance: Registration of Patient Motion . . . . . . . 42 5.2 Validation I: Simulation vs. Articial Motion . . . . . . . . . . 42 5.3 Validation II: Simulation vs. Clinical Motion . . . . . . . . . . 48
6 Discussion 49 6.1 Clinical Relevance: Motion Detection . . . . . . . . . . . . . . 49
CONTENTS
7
8
9
6.2 Validation I: Simulation vs. Articial Motion . . . . . . . . . .
6.3 Validation II: Simulation vs. Clinical Motion . . . . . . . . . .
6.4 Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Conclusion
Curriculum Vitae
Acknowledgements
5
50
54
54
57
58
60
LIST OF FIGURES List of Figures
6
1Principle of+-decay: formation of the positron (+-radiation) and annihilation process resulting in
proton, (P:-radiation [55]. N: neutron, e+: positron, e : electron,: neutrino). . . . . . . . 13 2Principles of a cyclotron. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 18 3Structure responsible for di eren t biochemical pathways (chapter 2.2.4):2-Fluoro(18)-2-Deoxy-D-Glucose(right)di ersfromD-Glu-cose (left) only in the replacement of the hydroxyl group on the second carbon atom. 20. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 4Coincidence detection in a PET-scanner [55] 22. . . . . . . .. . . . 5Three-compartment model of the metabolic process of 2-Fluoro(18)-2-Deoxy-D-Glucose.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 6Patlak Plot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 7Geometrical shape of the heart phantom developed according to anatomical ndings; the myocardium is hatched, all units are given in mm 32. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 8 Anatomy of the heart and denition of the x’- and y’-axis [55]. 33 9y’nd’asxitndVaeL.noitinedsixafohtitnoneateSmg 34. . . . . 10 TheVisualisation of correlation between translation and rotation. centre of rotation isPin the scanner coordinate-system,s~the translational part of movement and the rotation angle . The rotation is visualised by the dotted line.. . . . 37. . . . . . . . . .
LIST OF FIGURES
11 12 13 14 15
16 17 18
7
Denition of the x-, y-, and z-axis . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Operation of the registration algorithm: the regions depicted in both images are located identically. 43. . . . . . . . . . . .. . . . Results of the registration algorithm. . . . 44. . . . . . . . . . . E ects of translation on Patlak-plot for a translation of 8 pixels in x-direction, region Inf-B: left before frame 30 (20.5 min.), right before frame 37 (40.5 min). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 E ectsofmyocardialthicknessonthelineprolesofthemyocar-dialwall(left).Comparisonofthemarkedlineproleofathick myocardium (patient 1) with a thin myocardium (patient 2) and 2 phantomsrepresentingdi erentmyocardialthicknessesandback-ground levels. Colorbar values are relative.. . . . . . . . . . . . 46 E ects of translation: x- (1. row), y- (2. row), and z-direction (3. row), all translations noted with their absolute value in the positive direction: left patient data, right phantom data 47. . . . . . E ects of rotations around di eren t axis: x’- and y’- (average left), and z-direction (right), all rotations noted with their absolute value in the positive direction: left patient data, right phantom data. . 48 E ects of motion correction on classication of myocardial regions: ratio of corrected vs uncorrected patient data (PCM group) com-pared to articial shifted patient (PAM group) and phantom data.49
LIST OF TABLES
List of Tables
1 2 3 4
Properties of commonly used radio-isotopes [3, 7, 6] . . . . . . Heart VOIs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . Time schedule of a clinical FDG scan. (Injection in frame 2). . . Classication of the relative glucose consumption measured with
FDG-PET in clinically relevant groups [35]. Values are presented
as relative numbers in relation to the region with the maximum glucose metabolism.. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .
8
16 34 35
41
1 INTRODUCTION
1 Introduction
9
Coronary artery disease is the leading cause for mortality in the developed countries. Advances in pharmacological, interventionell, and surgical ther-apy (e.g. coronary revascularization and heart transplantation) help to re-duce mortality in those patients. Correct assessment of the extent of viable andnonviablemyocardiumisonekeygureforclinicaldecisionmaking. Detection of viability based on the assessment of glucose metabolism with PositronEmissionTomography (PET) is a clinical reference method [64], other methods as contrast-enhanced Magnetic Resonance Imaging [30] or echocardiography [67] are also validated approaches. The strength of PET with18 its ability to quantify isF-FDG in this eld glucose metabolism in absolute numbers three dimensionally [47] whereby scanning procedures of more than 1 h are necessary [32]. E ects of patient motion during imaging procedures with long scanning times like SPECT are well known [19, 14]. Although motion in PET can be determined and corrected within some limits [28, 56, 53], patient data is rarely corrected for motion.E ectsofmotion-biaseddataonabsolutequanticationisassumed [34, 27] rather than investigated. The aim of this work is the determination of patient movement which occurs unsystematically and often unrecognizable by the investigator in clin-ical practice. Furthermore e ects of patient motion on the calculation of glucose metabolism will be analyzed. E ects on the results of absolute glu-
1 INTRODUCTION
10
cose metabolism will be studied on phantom data and in a clinical setup
on articially motion-biased data. The impact of this results on the clinical
work will be investigated by application of these results on patient data with
and without movement correction methods.
