Performance evaluation of gamma cameras with multi-pinhole collimators for brain SPECT imaging Performance Evaluation von Gamma Kameras mit Multi-Pinhole Kollimatoren für SPECT Bildgebung des Gehirns KRISTIAN TECKLENBURG BORN ON OCTOBER 16 1991 MASTER THESIS IN PHYSICS UNIVERSITY OF HAMBURG 2019 1. REVIEWER PROF.DR. RER. NAT.ERIKA GARUTTI INSTITUTE OF EXPERIMENTAL PHYSICS,UNIVERSITY OF HAMBURG 2. REVIEWER DR. RER. NAT.RALPH BUCHERT DEPARTMENT FOR DIAGNOSTIC AND INTERVENTIONAL RADIOLOGY AND NUCLEAR MEDICINE, UNIVERSITY MEDICAL CENTER HAMBURG-EPPENDORF For my friends ❆❜❛❝ In this master thesis a standard for performance evaluation of gamma cameras with multi- pinhole (MPH) collimators for clinical brain SPECT imaging is proposed. The evaluation standard has been developed on a triple-head SPECT system (Mediso AnyScan® TRIO) using a novel 20-pinhole collimator specifically designed for dopamine transporter (DAT) SPECT. MPH collimators, very successful in small animal SPECT, promise to overcome the trade-off between spatial resolution and count sensitivity in clinical SPECT of "small" organs, that is otherwise associated with photon collimation using parallel-hole or fan-beam collimators. Count sensitivity and spatial resolution were measured with a 99mTc point source placed axially on the center of rotation axis and radially at the axial sensitivity peak in increments of 1 cm covering the field-of-view (FOV). Acquisition and reconstruction parameters have been opti- mized for clinical patient scanning using an anthropomorphic striatum phantom with activity filling representative of a typical patient scan. Image artifacts due to incomplete sampling have been reduced by investigating different helical scanning modes using a self-made multi-disk phantom. Recovery of putamen-to-background contrast was assessed by the contrast-recovery- coefficient (CRC). Measurements were repeated with conventional 2-head SPECT systems with fan-beam and low-energy-high-resolution-high-sensitivity (LEHRHS) collimators. A patient referred to DAT SPECT because of suspicion of Parkinson’s disease was scanned with both LEHRHS and MPH collimators after a single tracer injection. The MPH sensitivity profile was almost symmetrical around its peak but decreased significantly towards the edges of the FOV. However, it outperformed typical sensitivity of 2-head parallel- hole collimators in a range of 129 3mm axially and > 200mm transaxially with a peak sen- ± sitivity of 608 5cps/MBq compared to 223 2cps/MBq for the 2-head fan-beam collimator. ± ± Spatial resolution of MPH SPECT was determined to range from 3 mm to 4 mm throughout the whole FOV. MPH SPECT improved striatal contrast recovery by 20% compared to fan-beam ≥ SPECT. The patient scan demonstrated very good image quality of MPH SPECT with almost PET-like delineation of putamen and caudate nucleus, clearly superior to LEHRHS SPECT. MPH SPECT provides considerable improvement of the resolution-sensitivity tradeoff in DAT SPECT compared to SPECT with fan-beam or LEHRHS collimators. Improved sensitivity opens the possibility to reduce scan time and/or tracer dose. ❑✉③❢❛✉♥❣ In dieser Masterarbeit wird ein Standard zur Performance Evaluation von Gammakameras mit multi-pinhole (MPH) Kollimatoren für die klinische SPECT Bildgebung des Gehirns vorgeschlagen. Das Verfahren wurde an einem 3-Kopf SPECT System entwickelt (Medi- so AnyScan® TRIO), welches mit einem neuartigen 20-Pinhole Kollimator, speziell für die Dopamin-Transporter SPECT, ausgestattet ist. Multi-Pinhole Kollimatoren werden bereits sehr erfolgreich bei der Kleintier SPECT angewendet. Darüber hinaus versprechen diese auch bei der klinischen SPECT "kleiner Organe" den Kompromiss zwischen Sensitivität und räum- licher Auflösung überwinden zu können, der konventionell bei Parallelloch- und Fanbeam- Kollimatoren vorherrscht. Die Sensitivität und räumliche Auflösung wurden anhand einer 99mTc Punktquelle gemessen. Hierzu wurde das Gesichtsfeld des Detektors axial entlang der Rotationsachse und am axia- len Sensitivitätsmaximum auch radial in Abständen von 1 cm abgerastert. Akquisitions- und Rekonstruktionsparameter wurden zuvor für die klinische Anwendung mit Hilfe eines anthro- pomorphischen Striatum-Phantoms optimiert, welches mit einer klinisch-typischen radioakti- ven Aktivitätskonzentration befüllt wurde. Bildartefakte aufgrund unvollständiger Projektionen wurden durch die Untersuchung verschiedener Helix-Aufnahmemodi mit einem selbst gebau- ten Multi-Disk Phantom reduziert. Die Wiederherstellung des Striatum-Hintergrund-Kontrastes wurde anhand des "contrast recovery coefficient" (CRC) untersucht. Die Messungen wurden mit Fan-Beam und LEHRHS Kollimatoren an einer konventionellen 2-Kopf SPECT Kamera wiederholt. Ein Patient mit Verdacht auf Morbus Parkinson wurde sowohl mit dem LEHRHS als auch mit dem MPH Kollimatoren nach einer einzigen Kontrastmittel-Injektion gemessen. Das MPH Sensitivitätsprofil zeigt einen beinahe symmetrischen Verlauf um das Maximum, fällt jedoch stark zu den Rändern des Gesichtsfeldes hin ab. Nichtsdestotrotz wird die typische Sensitivität konventioneller 2-Kopf Systeme in einem Bereich von 129 3mm mm axial und ± > 200mm transaxial übertroffen mit einem Sensitivitätsmaximum von 608 5cps/MBq ver- ± glichen mit 223 2cps/MBq beim Fanbeam-Kollimator. Die räumliche Auflösung des MPH ± SPECT liegt im Bereich von 3 mm bis 4 mm über das gesamte Gesichtsfeld. Die Kontrast- Wiederherstellung ist beim MPH SPECT 20% höher als beim Fanbeam-SPECT. Auch die ≥ Patientenaufnahme demonstriert eine sehr gute Bildqualität der MPH SPECT mit nahezu PET- ähnlicher Darstellung von Putamen und Nucleus Caudatus, deutlich überlegen zur LEHRHS SPECT. MPH SPECT ermöglicht eine deutliche Verbesserung des Kompromisses zwischen Auflösung und Sensitivität bei DAT SPECT verglichen mit SPECT unter Verwendung von Fanbeam oder LEHRHS Kollimatoren. Die erhöhte Sensitivität eröffnet die Möglichkeit die Aufnahmedauer und/oder Kontrastmitteldosis zu reduzieren. ❈♦♥❡♥ ▲✐ ♦❢ ❋✐❣✉❡ VI ▲✐ ♦❢ ❚❛❜❧❡ VIII ❆❜❜❡✈✐❛✐♦♥ IX ✶ ■♥♦❞✉❝✐♦♥ 1 ✷ ❚❤❡♦❡✐❝❛❧ ❜❛❝❦❣♦✉♥❞ 3 2.1 Emission Tomography . 3 2.2 Imaging Principles in Nuclear Medicine . 4 2.3 Photon Emission . 4 2.3.1 Technetium-99m . 5 2.3.2 Iodine-123 . 5 2.4 Photon Detection . 5 2.4.1 Single Photon Emission Computed Tomography . 5 2.4.2 Collimator types in SPECT . 8 2.4.3 Image reconstruction . 9 2.4.4 Counting Statistics . 10 2.4.5 Attenuation Correction in SPECT . 11 2.4.6 Performance Evaluation . 12 ✸ ▼❛❡✐❛❧ ❛♥❞ ♠❡❤♦❞ 13 3.1 Triple-head SPECT system . 13 3.2 Multi-pinhole collimator . 14 3.3 Optimization of acquisition and reconstruction protocol . 17 3.4 Count sensitivty and spatial resolution . 20 3.5 Visual image quality and contrast recovery as function of the total counts . 23 3.6 Patient scan . 23 ✹ ❘❡✉❧ 24 4.1 Optimization of acquisition and reconstruction protocol . 24 4.2 Count sensitivty and spatial resolution . 37 4.3 Visual image quality and contrast recovery as function of the total counts . 44 ■❱ ❈♦♥❡♥ 4.4 Patient scan . 47 4.5 Tests of gamma camera detectors with multi-pinhole collimators (proposal to extend NEMA NU 1 - section 3.3) . 48 4.5.1 System Axial and Radial Count Sensitivity . 48 Test Conditions . 48 Test Equipment . 48 Measurement Procedure . 49 Calculations and Analysis . 49 Reporting . 52 4.5.2 System Axial and Radial Spatial Resolution . 53 Test Conditions . 53 Test Equipment . 53 Measurement Procedure . 54 Calculations and Analysis . 54 Reporting . 55 4.6 Analysis of axial and radial sensitivity profiles . 56 ✺ ❉✐❝✉✐♦♥ 59 ✻ ❈♦♥❝❧✉✐♦♥ 66 ✼ ❆❝❦♥♦✇❧❡❞❣♠❡♥ 67 ✽ ❇✐❜❧✐♦❣❛♣❤② 68 ✾ ❆♣♣❡♥❞✐① 74 9.1 MatLab code - Point-source analysis (FWHM) . 74 9.2 Additional MatLab code . 79 9.2.1 Anonymize .dcm data in case of patient scan . 79 9.2.2 Slice summing tool . 80 9.2.3 Multi-disk analysis - intensity projection on COR-axis . 80 ❙❛❡♠❡♥ ✭●❡♠❛♥✮ 81 ❱ ▲✐ ♦❢ ❋✐❣✉❡ 2.1 Overview of decay schemes for 99mTc and 123I.................. 5 2.2 Photon-matter interaction . 6 2.3 Scintillation crystal - electronic band structure . 7 2.4 Geometry of common parallel-hole collimators . 8 2.5 Geometry of fan-beam and multi-pinhole collimators . 9 3.1 MPH collimator with striatum aperture . 14 3.2 Projection pattern on the gamma detector using striatum MPH collimator . 15 3.3 Striatum positioning in FOV/CFOV . 16 3.4 Multi-disk (Defrise) phantom - photograph . 17 3.5 Anthropomorphic striatum phantom - photograph . 18 3.6 Anthropomorphic striatum phantom - CT image and ROI . 19 4.1 Angular sampling optimiziation using a star phantom . 25 4.2 Static projection pattern using striatum MPH collimator . 25 4.3 Axial sampling: circular vs. helical acquisition . 26 4.4 Explosion view of the multi-disc phantom . 27 4.5 Construction view of the multi-disk phantom B . 28 4.6 Construction view of the multi-disk phantom A . 29 4.7 Multi-plexing with the multi-disk phantom . 30 4.8 Multi-disk phantom at different helical scan modes . 30 4.9 Multi-disk phantom: intensity profiles . 31 4.10 Multi-disk phantom: ROI analysis . 32 4.11 Multi-disk phantom: Effect of AC on TeraTom™ reconstruction . 33 4.12 TeraTomo™ reconstruction optimization: MCQ / number of subsets . 34 4.13 TeraTomo™ reconstruction optimization: number of iterations . 35 4.14 Quantitative analysis of striatum MPH SPECT images (Fig. 4.12 and Fig. 4.13) 36 4.15 Striatum phantom: Effects of CT-based attenuation correction . 37 4.16 Overview of system count sensitivity profiles . 38 4.17 Peak sensitivity and resolution depending on td . 39 4.18 Axial sensitivity depending on td - Striatum