Characterization of Multimodal Preclinical Imaging Systems

Loading...
Thumbnail Image

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Publisher

Abstract

Background A setup of four compatible imaging systems for small animal from Bruker has been delivered to Sahlgrenska Academy at University of Gothenburg and Sahlgrenska University Hospital, and forms the basis of SBIC (Sahlgrenska Bioimaging Center). The aim of the study was to characterize the performance of the positron emission tomography (PET)system and computed tomography (CT)system at SBIC as well as the dose calibrator and two radiation protection instruments, but also to analyse two methods of attenuation correction using either data from CT or magnetic resonance imaging (MRI). Method The response of the dose calibrator was characterized for geometric factors and activity dependence using 99mTc, 177Lu, 131I, 125I and 18F sources. The PET-system was characterized by measuring the sensitivity, correction factors, linearity, highest and lowest measurable activity, scatter fraction, spatial resolution, uniformity and recovery coefficients using various phantoms filled with 18F-FDG (fluorodeoxyglucose). To characterize the CT-system three protocols, two reconstruction algorithms, uniformity, spatial resolution and noise were measured using two phantoms. CT- and MRI-based attenuation correction of PET images of a tumour bearing mouse injected with 68Ga-DOTATOC was analysed by comparing the activity concentrations in various tissues. Two radiation protection instruments, Berthold LB 122 and 124, were characterized by examining the linearity and minimum detectable activity for two phantoms containing 131I. Results Using the dose calibrator, a linearity was identified for all radionuclides, the suggested working region was 2-8 cm, larger uncertainties were found for smaller volumes, and a radionuclide dependence was identified. The sensitivity of the PET-system varied with activity, however, a linear correlation was identified with enlarged uncertainties for lower activities. Best uniformity and resolution were achieved from the image without attenuation correction. Highest and lowest measurable activity was 41 MBq and 0.1 MBq, respectively. The CT-system achieved the lowest variation of Hounsfield units (HU) when using the high-resolution protocol, but the resolution was similar for the high-resolution and the generalpurpose protocols. The CT-attenuation correction of PET images resulted in higher activity concentration than MRI-attenuation correction. A linear response was identified for both radiation protection instruments for each measurement setup. The minimum detectable activity was estimated to 35 kBq at 10 cm distance using Berthold LB 122. Conclusions The dose calibrator is appropriate to use under the suggested working conditions. Essay/Thesis: 30 hp Program and/or course: Medical physics Level: Second Cycle Term/year: Fall 2025 Supervisor: Eva Forssell-Aronsson, Hana Bakr, Johan Spetz, Lukas Lundholm, Mikael Montelius Examiner: Magnus Båth Keywords: Preclinical imaging, Multimodal, Characterization, small animal PET, micro-CT, MRI attenuation correction, Bruker, Molecubes 3 The sensitivity of the PET-system, calculated in the software PMOD, was activity dependent. The system had a resolution of at least down to 2 mm and the measurable 18F-FDG activity range was 0.1- 37 MBq. For the CT-system, the Feldkamp, Davis and Kress (FDK) algorithm with helical acquisition was less good and the image space reconstruction algorithm (ISRA) should be usen when quantification is needed. The MRI-based attenuation correction method evaluated underestimated the activity concentration compared with CT-based attenuation correction and needs to be improved. Altogether, the PET- and CT-systems were well characterized, but further studies on phantoms and animals would be interesting and give more information. The two radiation protection instruments worked well.

Description

Bakgrund En uppsättning av fyra kompatibla avbildningssystem för små djur från Bruker har levererats till Sahlgrenska Akademin på Göteborgs Universitet och Sahlgrenska Universitetssjukhus, och utgör grunden för SBIC (Sahlgrenska Bioimaging Center). Syftet med studien var att karakterisera prestandan av positronemissionstomografisystemet (PET) och datortomografisystemet (CT) på SBIC men också för doskalibratorn och två strålskyddsinstrument, samt att analysera två metoder för attenueringskorrektion baserat på antingen CT-data eller data från magnetresonansavbilnding (MR). Metod Doskalibratorns respons karakteriserades för geometriska faktorer och aktivitetsberoende av 99mTc, 177Lu, 131I, 125I och 18F. PET-systemet karakteriserades genom att mäta känsligheten, korrektionsfaktorerna, lineariteten, högsta och lägsta mätbara aktivitet, spridningsfraktionen, upplösningen, homogeniteten och återhämtningskoefficienterna med olika fantom fyllda med 18F-FDG (fluordeoxiglukos). För att karakterisera CT-systemets tre protokoll och två rekonstruktionsalgoritmer, mättes homogeniteten, upplösningen och bruset med två fantom. CT- och MR-baserad attenueringskorrektion för PET bilder av en tumörbärande mus injicerad med 68Ga-DOTATOC analyserades genom att jämföra aktivitetskoncentrationerna i olika vävnader. Två strålskyddsintrument, Berthold LB 122 och 124, karakteriserades genom att mäta lineariteten och minsta detekterbara aktivitet för två fantom fyllda med 131I. Resultat Ett linjärt samband identifierades för doskalibratorn för alla radionuklider, det rekommenderade mätområdet var 2-8 cm, större osäkerheter identifierades för små volymer och ett radionuklidberonde identifierades. Känsligheten för PET-systemet varierade med aktiviteten men ett linjärt samband kan identifieras för samtliga mätuppställningar, dock med ökade osäkerheter vid låga aktiviteter. Bäst homogenitet och upplösning uppmättes från bilden utan attenueringskorrektion. Högsta och lägsta mätbara aktiviteten var 41 MBq respektive 0.1 MBq. CT-systemet gav lägst variation av Hounsfield enheter (HU) när high-resolution-protokollet användes och upplösningen var lika för när highresolution- och general-purpose-protokollen användes. CT-attenueringskorrektion för PET gav högst aktivitetskoncentration. Ett linjärt samband kunde identifieras för samtliga strålskyddsintrument för varje mätuppställning. Minsta detekterbara aktivitet var ca 35 kBq på 10 cm avstånd för Berthold LB 122. Slutsatser Doskalibratorn är lämplig att använda under rekommenderade förhållanden. Känsligheten för PET-systemet, beräknat i PMOD, är aktivitetsberoende. Systemets upplösning uppmättes till mindre än 2 mm och mätområdet för 18F-FDG uppmättes till 0.1-37 MBq. Vid spiralinsamling är Feldkamp, Davis och Kress (FDK) algoritmen mindre bra och Image space reconstruction algoritmen (ISRA) bör användas i de fall där kvantifiering krävs. Metoden för MRbaserad attenueringskorrektion underskattade aktivitetskoncentrationen jämfört med CT-baserad attenueringskorrektion och är i behov av förbättring. Sammanfattat är PET- och CT- systemen väl karakteriserade, men framtida studier på fantom och djur skulle vara intressant och ge mer information De två strålskyddsinstrumenten fungerade bra.

Keywords

Preclinical imaging, Multimodal, Characterization, small animal PET, micro-CT, MRI attenuation correction, Bruker, Molecubes

Citation

ISBN

Articles

Department

Defence location

Endorsement

Review

Supplemented By

Referenced By