Reduktion der Strahlenexposition bei PET-Untersuchungen durch Datenakquisition im 3D-Modus

Zusammenfassung

Ziel: Moderne Volumen-PET-Systeme bieten die Möglichkeit, auf die abschirmende Wirkung von Septen zwischen den einzelnen Detektorringen (2D-Modus) zu verzichten, so daß auch koinzidente Ereignisse zwischen Detektoren auf weiter entfernt liegenden Ringen erfaßt werden können (3D-Modus). Ziel der vorliegenden Arbeit war es, das Zählratenverhalten eines PET-Scanners der neuesten Generation im 2D- und im 3D-Modus anhand von Phantommessungen zu untersuchen und die sich daraus ergebenden Konsequenzen für die Strahlenhygiene bei PETUntersuchungen mit 2-[F-18]-Fluor-2-Desoxyglukose (F-18-FDG) zu diskutieren. Methoden: Alle Messungen wurden am Ganzkörper-PET-System ECAT EXACT HR⁺ durchgeführt. Für die 2D-Messungen wurde ein Kollimator aus dünnen Wolframlamellen in das Gesichtsfeld eingebracht. Das Zählratenverhalten des Scanners wurde dem NEMA-Protokoll folgend über einen weiten Bereich von F-18-Aktivitätskonzentrationen untersucht. Darüber hinaus wurden PET-Aufnahmen des EEC-Ganzkörperphantoms mit verschiedenen Einsätzen im 2D- und im 3D-Modus jeweils über 15 min akquiriert, wobei die F-18-Aktivitätskonzentrationen bei der 3D-Messung halb so hoch waren wie bei der 2D-Messung. Ergebnisse: Für das zylinderförmige NEMA-Phantom (Ø = 19,4 cm, Länge = 19,0 cm) ergab sich im 3D-Modus eine im Vergleich zur 2D-Akquisition etwa fünffach höhere Systemsensitivität (27,7 statt 5,7 cps/Bq/ml). Die Auswertung der rekonstruierten Aktivitätsverteilungen des EECPhantoms ergab, daß die Qualität der aus dem 3D-Projektionsdatensatz berechneten PET-Aufnahmen besser war als die der korrespondierenden 2D-Aufnahmen, obwohl die Aktivitätskonzentrationen nur halb so hoch waren. Schlußfolgerungen: Durch die Datenakquisition im 3DModus kann die zu applizierende Aktivitätsmenge bei gleichzeitiger Verbesserung der Bildqualität erheblich reduziert werden. Für Patientenuntersuchungen mit F-18-FDG im Ganzkörperbereich reicht es unserer Erfahrung nach aus, eine Aktivität zwischen 150 und 200 MBq zu applizieren. Dies entspricht einer effektiven Äquivalentdosis von 3 beziehungsweise 4 mSv.

Summary

Aim: Modern volume PET systems offer the possibility to measure without the shadowing effect of interplane septa (2D mode) and thus to detect coincident events between detectors on distant rings (3D mode). It was the aim of the present paper to characterize the count rate behaviour of a latest-generation whole-body PET system in the 2D and 3D mode as well as to discuss the consequences for the radiation hygiene of PET examinations with 2-[F-18]-fluoro-2-deoxyglucose (18-F-FDG). Methods: All experiments were performed with the PET system ECAT EXACT HR⁺. For 2D data acquisition, a collimator of thin tungsten septa was positioned in the field-of-view. The count rate behaviour of the scanner was evaluated in the 2D and 3D mode over a wide range of F-18 activity concentrations following the NEMA protocol. Moreover, PET images of the EEC whole-body phantom with different inserts were acquired in the 2D and 3D mode over a period of 15 min each. For the 3D measurement, the activity concentrations of the F-18 solution were only half of those used for the 2D measurement. Results: For the circular NEMA phantom (Ø = 19.4 cm, length = 19,0 cm), we observed an increase of the system sensitivity in the 3D mode by a factor of about 5 with respect to the 2D mode (27.7 vs. 5.7 cps/Bq/ml). The evaluation of the activity distributions of the EEC phantom reconstructed from the 3D data set revealed a superior image quality compared to the corresponding 2D images despite the fact that the activity concentrations were only half as high. Conclusion: By using the 3D data acquisition mode, it is possible to markedly reduce the amount of activity to be applied to the patient and nevertheless to improve image quality. In our experience, it is sufficient to administer an activity of 150-200 MBq for whole-body examinations with F-18-FDG, which results in an effective equivalent dose of 3 or 4 mSv, respectively.

Schlüsselwörter

Positronen-Emissions-Tomographie - 3D-Datenakquisition - effective Dosis - Strahlenhygiene

Key words

Positron emission tomography - 3D data acquisition - effective dose - radiation hygiene

• LITERATUR

• 1 Adam LE, Zaers J, Ostertag H, Bellemann ME, Trojan H, Brix G. Performance evaluation of the whole-body PET scanner ECAT EXACT HR⁺ following the IEC standard. IEEE Trans Nucl Sei 1997; 44: 1172-9.
• 2 Bellemann ME, Rota-Kops E, Brix G, Schmitz T, Zaers J, Herzog H, Lorenz WJ. Experimentelle Quantifizierung der Compton-Streustrahlung an einem modernen 3DGanzkörper-PET-System. In: Medizinische Physik 97. Schmidt R. (Hrsg.). Hamburg: DGMP; 1997: 245-6.
• 3 Bergström M, Eriksson L, Böhm C, Blomqvist G, Litton J. Correction for scattered radiation in a ring detector positron camera by integral transformation of the projections. J Comput Assist Tomogr 1983; 7: 42-50.
• 4 Bokisch A. Benötigen wir einen Qualitätszirkel für die PET? (Editorial). Nuklearmedizin. 1998 37 (6).
• 5 Brix G, Zaers J, Adam LE, Bellemann ME, Ostertag H, Trojan H, Haberkorn U, Doll J, Oberdorfer F, Lorenz WJ. Performance evaluation of a whole-body PET scanner using the NEMA protocol. J Nucl Med 1997; 38: 1614-23.
• 6 Defrise M. A factorization method for the 3D X-ray transform. Inverse Problems 1995; 11: 983-94.
• 7 Doll J, Zaers J, Trojan H, Bellemann ME, Adam LE, Haberkorn U, Brix G. Optimierung der Bildqualität von PET-Aufnahmen durch 3D-Datenakquisition und iterative Bildrekonstruktion. Nuklearmedizin 1998; 37: 62-7.
• 8 Guzzardi R, Bellina C, Knoop B, Jordan K, Ostertag H, Reist WH, Spinks T, Vacher J. Methodologies for performance evaluation of positron emission tomographs. J Nucl Biol Med 1991; 35: 141-57.
• 9 Hudson HM, Larkin RS. Accelerated image reconstruction using ordered subsets of projection data. IEEE Trans Med Imaging 1994; 13: 601-9.
• 10 ICRP Publication 53: Radiation dose to patients from radiopharmaceuticals. Oxford: Pergamon Press; 1988
• 11 ICRP Publication 60: 1990 recommendations of the international commission on radiological protection. Oxford: Pergamon Press; 1990
• 12 Johansson L, Mattsson S, Nosslin B, Leide-Svegborn S. Effective dose from radiopharmaceuticals. Eur J Nucl Med 1992; 19: 933-8.
• 13 Karp JS, Daube-Witherspoon ME, Hoffman EJ, Lewellen TK, Links JM, Wong WH, Hichwa RD, Casey ME, Colsher JG, Hitchens R, Huehllehner G, Stoub EW. Performance standards in positron emission tomography. J Nucl Med 1991; 12: 2342-50.
• 14 Kinahan P, Rogers JG. Analytical threedimensional image reconstruction using all detected events. IEEE Trans Nucl Sei 1989; NS-36 964-8.
• 15 NEMA Standards Publication. NU 2-1994. 1994
• 16 Ollinger JM. Model-based scatter correction for fully 3D.. PET Phys Med Biol 1996; 41: 153-76.
• 17 Schmidlin P, Bellemann ME, Brix G. Iterative reconstruction of PET images using a high-overrelaxation single-projection algorithm. Phys Med Biol 1997; 42: 569-82.
• 18 Schober O, Lottes G. Positronen-Emissions-Tomographie und Strahlenexposition. Nuklearmedizin 1994; 33: 174-7.
• 19 Strother SC, Casey ME, Hoffmann EJ. Measuring PET scanner sensitivity: Relating countrates to image signal-to-noise ratios using noise equivalent counts. IEEE Trans Nucl Sei 1990; 37: 783-8.
• 20 Watson CC, Newport D, Casey ME, deKemp RA, Beanlands RS, Schmand M. Evaluation of simulation-based scatter correction for 3-D PET cardiac imaging. IEEE Trans Nucl Sei 1997; 44: 90-7.