Resolution improvement and noise reduction in human pinhole SPECT using a multi-ray approach and the SHINE method

Summary

Purpose: This work aimed at quantifying the gains in spatial resolution and noise that could be achieved when using resolution modelling based on a multi-ray approach and additionally the Statistical and Heuristic Noise Extraction (SHINE) method in human pinhole single photon emission tomography (PH-SPECT). Methods: PH-SPECT of two line phantoms and one homogeneous cylinder were recorded using parameters suited for studies of the human neck area. They were reconstructed using pinhole dedicated ordered subsets expectation maximisation algorithm including a resolution recovery technique based on 7 or 21 rays. Optionally, the SPECT data were SHINE pre-processed. Transverse and axial full widths at half-maximum (FWHM) were obtained from the line phantoms. The noise was quantified using the coefficient of variation (COV) derived from the uniform phantom. Two human PHSPECT studies of the thyroid (a hot nodule and a very low uptake) were processed with the same algorithms. Results: Depending on the number of iterations, FWHM decreased by 30 to 50% when using the multi-ray approach in the reconstruction process. The SHINE method did not affect the resolution but decreased the COV by at least 20% and by 45% when combined with the multi-ray method. The two human studies illustrated the gain in spatial resolution and the decrease in noise afforded both by the multi-ray reconstruction and the SHINE method. Conclusion: Iterative reconstruction with resolution modelling allows to obtain high resolution human PH-SPECT studies with reduced noise content. The SHINE method affords an additional noise reduction without compromising the resolution.

Zusammenfassung

Ziel: Mit dieser Arbeit sollen die Verbesserungen der räumlichen Auflösung und des Bildrauschens quantifiziert werden, die mithilfe eines Bildauflösungsmodells auf der Grundlage des Mehrstrahl-Ansatzes zusammen mit der SHINEMethode (Statistical and Heuristic Image Noise Extraction = statistische und heuristische Rauschunterdrückung bei bildgebenden Verfahren) bei der Einzelphotonen-Emissions-Tomographie mit Pinhole-Kollimator (PH-SPECT) am Menschen erreicht werden. Methodik: Es wurden PH-SPECT von zwei Linien-Phantomen und einem homogenen Zylinder-Phantom unter Verwendung von Parametern, die sich zur Untersuchung der menschlichen Halsregion eignen, aufgenommen. Sie wurden mit Hilfe des OS-EM (Ordered Subsets Expectation Maximisation)- Algorithmus mit Pinhole-Kollimator einschließlich einer auf 7 oder 21 Projektionsstrahlen basierten Wiederherstellungsmethode für die Auflösung rekonstruiert. Wahlweise wurden die SPECT-Daten zuvor mit der SHINEMethode bearbeitet. Diagonale und axiale Halbwertsbreiten (Full Widths at Half-Maximum – FWHM) erhielt man durch die Linien- Phantome. Das Bildrauschen wurde mit dem Varianzkoeffizienten (Coefficient of Variation – COV) quantifiziert, der vom homogenen Phantom abgeleitet wurde. Mit denselben Algorithmen wurden zwei PH-SPECT-Untersuchungen der Schilddrüse am Menschen (ein heißer Knoten und eine sehr schlechte Aufnahme) bearbeitet. Ergebnisse: Je nach Anzahl der Iterationen verringerte sich die FWHM um 30 bis 50 %, wenn beim Rekonstruktionsprozess der Mehrstrahl- Ansatz verwendet wurde. Die SHINEMethode hatte auf die Auflösung keine Auswirkungen, reduzierte jedoch den COV um mindestens 20 % und in Kombination mit der Mehrstrahl-Methode sogar um 45 %. Die zwei Untersuchungen am Menschen zeigen auf, welche Verbesserung bei der räumlichen Auflösung erreicht wurde und wie stark das Bildrauschen sowohl durch die Mehrstrahl-Rekonstruktion wie auch durch die SHINE-Methode reduziert werden kann. Schlussfolgerung: Eine iterative Bildrekonstruktion mit Bildauflösungsmodell ermöglicht eine hohe Auflösung bei PH-SPECT-Untersuchungen am Menschen bei gleichzeitig reduziertem Bildrauschen. Die SHINE-Methode erzeugt eine zusätzliche Rauschunterdrückung, ohne dabei die Auflösung zu beeinträchtigen.

Keywords

Reconstruction pinhole SPECT - SPECT instrumentation - algorithms - thyroid

Schlüsselwörter

Bildrekonstruktion SPECT mit Pinhole-Kollimator - SPECT-Geräteausstattung - Algorithmen - Schilddrüse

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