Universität zu Köln

Kinetic Analysis of dynamic MP4A PET Scans of Human Brain using Voxel based Nonlinear Least Squares Fitting

Hohmann, Christoph (2009) Kinetic Analysis of dynamic MP4A PET Scans of Human Brain using Voxel based Nonlinear Least Squares Fitting. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Dynamic PET (Positron Emission Tomography) involving a number of radiotracers is an established technique for in vivo estimation of biochemical parameters in human brain, such as the overall metabolic rate and certain receptor concentrations or enzyme activities. 11C labeled methyl-4-piperidyl acetate (MP4A) and -propionate (MP4P) are established radiotracers for measuring activity of acetylcholine esterase (AChE), which relates to functionality of the cholinergic system. MP4A kinetic analysis without arterial blood sampling employs a reference tissue based "irreversible tracer model". Implementations can be region or voxel based, in the second case providing parametric images of k3 which is an indicator of AChE activity. This work introduces an implementation of voxel based kinetic analysis using weighted Nonlinear Least Squares fitting (NLS), which is fast enough for standard PCs. The entire workflow leading from reconstructed PET scans to parametric images of k3, including normalization and correction for patient movement, has been automatized. Image preprocessing has been redefined and fixed masks are no longer required. A focus of this work is error estimation of k3 at the voxel and regional level. A formula is derived for voxel based estimation of random error, it is based on residual weighted squared differences and has been successfully validated against simulated data. The reference curves turned out to be the main source of errors in regional mean values of k3. Major improvements were reached in this area by switching from fixed to adaptive Putamen masks and raising their volume from 5.4 to 12.5 or 16 ml. Also, a method for correcting reference curves obtained from nonideal reference tissues is presented. For the improved implementation, random error of the mean k3 of a number of cerebral regions has been assessed based on PET studies of 12 human subjects, by splitting them in two independent data sets at the sinogram level. According to this sample, absolute standard errors of 0.0012 in most cortex regions and 0.0053 in Hippocampus are induced by noise of voxel based activity curves, while errors of approximately 0.0025 and 0.0050 are induced by noise of the reference curves. Different types of systematic as well as noise-induced bias have been investigated by simulations; their combined effect on the computed k3 was found below 3 percent. The implementation is available as a modul of the VINCI software package and has been used in clinical studies on Parkinson's Disease and Alzheimer Dementia.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Dynamisches PET (Positronenemissionstomographie) mit verschiedenen Radiotracern wird als bildgebendes Verfahren eingesetzt zur in vivo Bestimmung verschiedener biochemischer Parameter im menschlichen Gehirn, wie z.B. Gesamtstoffwechselrate oder bestimmte Rezeptorkonzentrationen und Enzymaktivitäten. 11C markiertes Methyl-4-Piperidyl Acetat (MP4A) und -Propionat (MP4P) werden als Radiotracer zur Aktivitätsbestimmung von Acetylcholinesterase (AChE) verwendet. Das Enzym dient als Indikator der Funktionalität des cholinergen Subsystems. Zur kinetischen Analyse dynamischer MP4A PET Messungen ohne Verwendung arterieller Blutdaten wird ein referenzbasiertes, irreversibles Tracermodell eingesetzt. Die Auswertung damit kann auf regionaler oder Voxelebene erfolgen, im zweiten Fall führt sie zu Bildern des die AChE-Aktivität anzeigenden Parameters k3. Die vorliegende Arbeit enthält eine Implementierung der voxelbasierten kinetischen Analyse mittels Kurvenanpassung im Sinne gewichteter kleinster Quadrate (NLS), die schnell genug ist für Standard PCs. Der gesamte Bildverarbeitungsprozess einschliesslich Normalisierung und Bewegungskorrektur, der von rekonstruierten PET Scans zu parametrischen k3 Bildern und regionalen Mittelwerten führt, wurde automatisiert. Dabei kommen neue Techniken der Bildvorverarbeitung, ohne Verwendung starrer Masken, zum Einsatz. Ein Schwerpunkt der Arbeit ist die Fehlerabschätzung von k3 auf Voxel- und regionaler Ebene. Eine Formel für die voxelweise Standardabweichung wird hergeleitet. Sie basiert auf den Abweichungsquadraten und wird gegen Simulationsergebnisse validiert. Als größte Fehlerquelle für regionale Mittelwerte von k3 stellten sich die Referenzkurven heraus. Hier konnten wesentliche Verbesserungen erzielt werden durch Verwendung adaptiver Putamenmasken und Erhöhung des Referenzvolumens von 5,4 auf 12,5 bis 16 ml. Außerdem wird eine Methode zur Korrektur der Referenzkurven im Falle nichtidealer Referenzregionen vorgestellt. Für das verbesserte Verfahren wurden die Standardabweichungen regionaler Mittelwerte von k3 mit Hilfe der PET Scans von 12 Probanden, die auf Sinogrammebene in je zwei disjunkte Datensätze zerlegt wurden, grob bestimmt. Danach ergibt sich ein absoluter Fehler von 0.0012 für typische Cortexregionen und 0,0053 für Hippocampus als Folge des Rauschens der voxelbasierten Aktivitätskurven, während die Referenzkurven für Fehler von ca. 0,0025 bzw. 0,0050 verantwortlich sind. Systematische Fehler verschiedener Art wurden mit Simulationen untersucht, ihr kombinierter Effekt liegt bei weniger als 3 Prozent des gemessenen k3. Das Verfahren wurde als Modul des Softwarepaketes VINCI verfügbar gemacht und im Rahmen klinischer Studien eingesetzt, zur Untersuchung der Parkinsonschen Krankheit und der Alzheimer Demenz.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Hohmann, Christophgrunzt@yahoo.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-28985
    Subjects: Mathematics
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    PET , MP4A , Acetylcholinesterase , k3German
    PET , MP4A , AChE, k3, NLSEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Keine Angabe
    Language: English
    Date: 2009
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 15 October 2009
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 18 Nov 2009 15:04:01
    Referee
    NameAcademic Title
    Schrader, RainerProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2898

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