データ駆動型ゲーティングCT：データ駆動型ゲーティングPET/CTを可能にする自動呼吸ゲーティング法

Data-driven gated CT: An automated respiratory gating method to enable data-driven gated PET/CT.

抄録

背景:

PET/CTの減弱補正(AC)にミスレジスタリングされたコンピュータ断層撮影(CT)が使用されると、ポジトロン断層撮影(PET)の定量化および局在化の精度が損なわれる可能性がある。データ駆動型ゲーティング（DDG）が臨床で使用されるようになるにつれて、ゲーテ ィングCTのソリューションに関してこれらの問題がより重要になってきている。

BACKGROUND: The accuracy of positron emission tomography (PET) quantification and localization can be compromised if a misregistered computed tomography (CT) is used for attenuation correction (AC) in PET/CT. As data-driven gating (DDG) continues to grow in clinical use, these issues are becoming more relevant with respect to solutions for gated CT.

目的:

この研究では、PETのACのための平均CTとDDG PETのためのDDG CTをそれぞれ提供する新しい自動DDG CT法を開発した。

PURPOSE: In this work, a new automated DDG CT method was developed to provide average CT and DDG CT for AC of PET and DDG PET, respectively.

方法:

低線量シネCT画像から画像の呼気終末期（EE）と吸気終末期（EI）を提供し、全相を平均して平均CTを生成する自動DDG CTを開発した。EEとEIの呼吸相は、肺領域のハウンスフィールド単位（HU）値と体の輪郭に従って決定された。平均CTはベースラインPETのACに使用され、EE相のDDG CTは静止相またはEE相のDDG PETのACに使用された。呼吸運動の大きさの評価には、DDG CTで得られたEI相とEE相を用いた。38例の患者データセットにおいて、呼吸相画像選択、肺HU、肺体積、画像アーチファクトに関して、提案したDDG CTを2つの市販CTゲーティング法：(1)4D CT（外部装置ベース）、(2)D4D CT（DDGベース）と比較した。F-FDG、Ga-Dotatate、Cu-Dotatateスキャンが混在する連続した20件のPET/CT検査の別のセットにおいて、DDG PET/CTにおけるレジストレーションと定量化への影響について、提案されたDDG CTとD4D CTを比較した。

METHODS: An automatic DDG CT was developed to provide the end-expiratory (EE) and end-inspiratory (EI) phases of images from low-dose cine CT images, with all phases being averaged to generate an average CT. The respiratory phases of EE and EI were determined according to lung region Hounsfield unit (HU) values and body outline contours. The average CT was used for AC of baseline PET and DDG CT at EE phase was used for AC of DDG PET at the quiescent or EE phase. The EI and EE phases obtained with DDG CT were used for assessing the magnitude of respiratory motion. The proposed DDG CT was compared to two commercial CT gating methods: (1) 4D CT (external device based) and (2) D4D CT (DDG based) in 38 patient datasets with respect to respiratory phase image selection, lung HU, lung volume, and image artifacts. In a separate set of twenty consecutive PET/CT studies containing a mix of F-FDG, Ga-Dotatate, and Cu-Dotatate scans, the proposed DDG CT was compared with D4D CT for impacts on registration and quantification in DDG PET/CT.

結果:

EEフェーズにおいて、DDG CTと4D CTが選択した画像は62.5%±21.6%の確率で同一であったのに対し、DDG CTとD4D CTは6.5%±9.7%、4D CTとD4D CTは8.6%±12.2%であった。EE期の画像選択におけるこれらの差は有意であった（p<0.0001）。EI期では、DDG CTと4D CTで選択された画像は68.2%±18.9%、DDG CTとD4D CTは63.9%±18.8%、4D CTとD4D CTは61.2%±19.8%であった。これらの差は有意ではなかった。肺の平均HUと体積は3つの方法で統計学的な差はなかった（p > 0.1）。一部の研究では、EE相とEI相の適切な選択において、DDG CTはD4Dや4D CTよりも優れており、D4D CTはEE相とEI相を逆にしたり、目視で正しい画像を選択しないことが認められた。DDG PETのACに対するDDG CTのD4D CTに対する統計学的有意な改善は、PET定量化解析でも示された。シネCTに不規則な呼吸サイクルが存在する場合、ベースラインPETのACを改善するために、平均CTの代わりにDDG CTを使用することができた。

RESULTS: In the EE phase, the images selected by DDG CT and 4D CT were identical 62.5% ± 21.6% of the time, whereas DDG CT and D4D CT were 6.5% ± 9.7%, and 4D CT and D4D CT were 8.6% ± 12.2%. These differences in EE phase image selection were significant (p < 0.0001). In the EI phase, the images selected by DDG CT and 4D CT were identical 68.2% ± 18.9% of the time, DDG CT and D4D CT were 63.9% ± 18.8%, and 4D CT and D4D CT were 61.2% ± 19.8%. These differences were not significant. The mean lung HU and volumes were not statistically different (p > 0.1) among the three methods. In some studies, DDG CT was better than D4D or 4D CT in the appropriate selection of the EE and EI phases, and D4D CT was found to reverse the EE and EI phases or not select the correct images by visual inspection. A statistically significant improvement of DDG CT over D4D CT for AC of DDG PET was also demonstrated with PET quantification analysis. When irregular breath cycles were present in the cine CT, DDG CT could be used to replace average CT for the improved AC of baseline PET.

結論:

PET/CT画像におけるミスレジストレーションと腫瘍の動きの問題に取り組むために、新しい自動DDG CTが開発された。DDG CTは、4D CTの臨床標準としてEE相画像を選択する際に、D4D CTよりも有意に一貫していた。4D CTとD4D CTの両方の市販ゲートCT法と比較した場合、DDG CTは、ミスレジストレーションと腫瘍の動きがしばしば発生する肺下部と横隔膜上部領域において、よりロバストであるように見えた。DDG CTは、D4D CTと比較してDDG PETのACを改善した。不規則な呼吸運動がある症例では、DDG CTはベースラインPETの平均CTよりもACを改善した。新しいDDG CTは、外部装置ゲーティングを必要とせずに4D CTの利点を提供する。

CONCLUSION: A new automatic DDG CT was developed to tackle the issues of misregistration and tumor motion in PET/CT imaging. DDG CT was significantly more consistent than D4D CT in selecting the EE phase images as the clinical standard of 4D CT. When compared to both commercial gated CT methods of 4D CT and D4D CT, DDG CT appeared to be more robust in the lower lung and upper diaphragm regions where misregistration and tumor motion often occur. DDG CT offered improved AC for DDG PET relative to D4D CT. In cases with irregular respiratory motion, DDG CT improved AC over average CT for baseline PET. The new DDG CT provides the benefits of 4D CT without the need for external device gating.