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Imaging vulnerable coronary plaques using 3D motion-corrected simultaneous PET/MR

Mayer, Johannes

FG Medizintechnik

Recently, the radioactive PET tracer[18F]NaF previously used in skeletal imaging found acardiac application: it shows uptake in vulnerable high-risk atherosclerotic plaques likely torupture and cause myocardial infarction. Subsequent studies revealed that coronary [18F]NaFuptake provides a powerful predictor of myocardial infarction fatality in patients with coronaryartery disease. PET acquisition times for [18F]NaF scans of the coronary arteries, however,are of the order of half an hour and therefore cardiac and respiratory motion can stronglyaffect the PET image quality. These motion artefacts includeblurring of the uptake, as wellas misalignment of PET emission data and attenuation correction map. Motion compensationapproaches such as motion-gating are limited to plaques withlarge uptakes as they rely on ahigh number of PET counts in the gated data - however, the uptakes in the coronary arteriesare small. New approaches are needed to make use of all acquired data and motion-correctthem to the right anatomical location while mitigating the artefacts.A suitable candidate for the implementation of such techniques is PET/MR, a hybrid modalityallowing the simultaneous acquisition of the fast, high-resolution anatomical images of MRand the complementary, metabolic information of PET. The overall aim of this thesis wasto use MR-based, cardio-respiratory motion correction to improve the visualisation andquantification of coronary plaques imaged with simultaneous [18F]NaF PET/MR. To enhancethe quality of the motion-models, a 3D fat-water separation sequence was extended to samplek-space along a novel trajectory that is better suited for cardiac and respiratory resolvedimaging. Motion-correction was incorporated into a high-resolution 3D model-based fat-waterseparated MR reconstruction. Furthermore, a simulation framework for dynamic PET/MRdata with motion ground truth information was developed. Itwas used to assess the accuracyof synergistic image registration that were employed to generate cardiac and respiratorymotion models.The developed techniques were first validated in a stand-alone cardiac MR application wherethey could improve the local sharpness of 3D epicardial fat structures in patients by 40 % usingmotion correction. Afterwards, they were applied to [18F]NaF PET/MR patients sufferingfrom atherosclerosis. In the detected coronary [18F]NaF -positive lesions in patients, the useof cardio-respiratory motion correction yielded an increase in target-to-background ratio ofup to 14 % and an average reduction of plaque width of 23 %. Furthermore, artefacts dueto attenuation misalignment could be mitigated. The techniques developed in the scope ofthis thesis could be a step towards more reliable and more reproducible imaging of high-riskcoronary plaques using [18F]NaF PET/MR. They can contribute to an improved diagnosticquality of coronary artery disease and allow for its patient-specific treatment.
Vor kurzem hat der radioaktive PET-Tracer [18F]NaF aus der Knochenbildgebung eine Anwendungim Herzen gefunden: er verzeichnet Aufnahme in vulnerablen atherosklerotischen Plaques, die mithoher Wahrscheinlichkeit abreißen und potenziell einen Herzinfarkt verursachen. Die PET-Aufnahmefür [18F]NaF -Scans der Koronararterien benötigen jedoch eine halbe Stunde oder länger, weshalbHerz- und Atembewegung die PET-Bildqualität verschlechtern können. Zu den auftretenden Bewe-gungsartefakten gehören eine Unschärfe in der Darstellung des Tracer sowie ein fehlerhafter Überlappvon PET-Daten und der Schwächungskarte. Herkömmliche Ansätze zur Bewegunsunterdrückung, wiebeispielsweise das Gating, sind auf eine hohe Zählrate in den aufgenommenen PET-Datenoder einestarke lokale Ansammlung von PET-Tracer im Plaque angewiesen. In den Koronararterien sind diesejedoch klein. Daher werden neue Bewegungskorrekturverfahren benötigt, die alle aufgenommenenDaten nutzen können und diese in einen Zustand ohne Bewegung zurückversetzen.Eine geeignete Modalität für die Umsetzung solcher Techniken ist PET/MR, ein Hybrid welcherdie gleichzeitige Aufnahme schneller und hochaufgelöster anatomischer Bildgebung von MRund derkomplementären Informationen über Stoffwechselprozesse durch PET ermöglicht. Das übergeordneteZiel dieser Arbeit war die Verbesserung der Darstellung und Quantifizierung von Plaques in denKo-ronararterien durch eine MR-basierte Korrektur der Herz-Atembewegung in simultan aufgenommenen[18F]NaF -PET/MR Daten. Dazu wurde eine MR-Sequenz zur Darstellung von Wasser- und Fettgewebemodifiziert, um den k-Raum entlang einer neuen Trajektorie abzutasten, welche besser für diebewegungsaufgelöste Bildgebung geeignet ist. Bewegungskorrektur wurde in eine hochauflösende3D-Modell-basierte Fett-Wasser MR-Rekonstruktion integriert. Zudem wurde eine Simulationsumgebungfür dynamische PET/MR-Daten mit “Ground-Truth” Informationen entwickelt. Diese wurde genutzt,um die Genauigkeit von synergistischen Bildregistrierung zu messen, welche zur Erstellung von Herz-Atmungsbewegungs-Modellen eingesetzt wurde.Die entwickelten Methoden wurden zunächst in einer eigenständigen Herz-MR-Anwendung validiertund verbesserten die lokale Schärfe von 3D epikardialen Fettstrukturen durch Bewegungskorrekturum 40 %. Daraufhin wurden die entwickelten Techniken auf [18F]NaF PET/MR Patienten mitkoronarer Herzkrankheit angewandt. Bei den detektierten koronaren [18F]NaF -positiven Plaques derPatienten führte die Anwendung der Herz-Atembeweguns-Korrektur zu einer Erhöhung des Signal-zu-Hintergrund Verhältnisses um bis zu 14 % und zu einer durchschnittlichen Reduktion der Plaqueweiteum 23 %. Zudem konnten Artefakte aufgrund von fehlerhafter Schwächungskorrektur verringert werden.Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Techniken könnten ein Schritt zu einer zuverlässigerenund reproduzierbareren Bildgebung von Hochrisiko-Plaques in den Koronararterien mittels [18F]NaF-PET/MR sein. Sie können einen Beitrag für eine verbesserte Diagnose und Therapiekontrolle liefern,und die individuelle Behandlung von Plaques ermöglichen.