Bewegingscorrectie voor beeldvorming van de hersenen met positronemissietomografie

Bij een positronemissietomografie (PET)-scan moet de patiënt volledig onbeweeglijk blijven gedurende de scan. De geringste beweging van de deelnemer resulteert in een vervaging van het uiteindelijke gereconstrueerde beeld en kan de diagnostische waarde ervan verminderen. Beweging tijdens een PET-scan kan onderverdeeld worden in twee belangrijke categorieën: niet-rigide en rigide beweging. Niet-rigide beweging wordt voornamelijk veroorzaakt door beweging in het abdomen en de thorax als gevolg van de hart- en ademhalingscycli. Rigide beweging is vooral van belang bij beeldvorming van de hersenen, waarbij er sprake is van hoofdbewegingen. Niet-rigide beweging is meestal periodisch en er bestaan verschillende technieken die trachten dit te verhelpen. Rigide beweging van hoofd is willekeurig waardoor diezelfde technieken niet gebruikt kunnen worden. Om dit te verhelpen wordt er vaak gewerkt met een hoofdsteun, maar door de hoge resolutie van moderne scanners is dit soms onvoldoende. Men kan ook sedatie of anesthesie gebruiken, maar deze kunnen een significant risico vormen voor de patiënt.  

In preklinische PET-studies wordt er meestal gebruik gemaakt van anesthesie om ervoor te zorgen dat het dier niet beweegt tijdens de scan (wat uiteraard het probleem van beweging door hartslag en ademhaling niet oplost). Het anestheticum heeft mogelijk echter een verstorend effect op de onderzochte PET tracer, en deze effecten zijn nog grotendeels onbegrepen. Dit is vooral problematisch in translationeel onderzoek aangezien anesthesie gewoonlijk vermeden wordt in de kliniek waardoor de resultaten van preklinische studies niet direct toepasselijk zijn.

Het probleem van hoofdbewegingen in de klinische en preklinische studies kan opgelost worden door de hoofdbeweging te registreren en de PET-data te corrigeren voor de gemeten bewegingen. Het werk voorgesteld in deze thesis spitst zich volledig toe op het ontwikkelen en implementeren van dergelijke techniek voor het corrigeren van rigide beweging bij beeldvorming van de hersenen. De geïmplementeerde techniek corrigeert elk individueel gemeten fotonenpaar naar waar het gedetecteerd geweest zou zijn als de deelnemer niet bewogen had.

Bij preklinische studies werd een correctietechniek geïmplementeerd die gebruik maakt van een stereo-optisch systeem om een marker op het hoofd van een rat te volgen. Het experimentele protocol en de parameters, alsook de gegevensverwerking, werden geoptimaliseerd. De techniek werd toegepast in een “proof-of-principle” onderzoek naar de effecten van het anestheticum isofluraan op de opname van 18F-FDG (een veelgebruikte PET-tracer) in de hersenen van de rat. Dit maakte het mogelijk om, vanaf de tracerinjectie en gedurende meer dan een uur, ratten te scannen die volledig bij bewustzijn waren en vrij konden bewegen, wat nooit eerder gerapporteerd werd. Er werd een significant effect van isofluraan vastgesteld, hetgeen eerder onderzoek op isofluraan met andere middelen bevestigt. 

Een bewegingscorrectieprotocol werd eveneens geïmplementeerd voor vier verschillende PET-scanners in de klinische setting. Bovenop “proof-of-principle” onderzoek, werd de techniek ook gebruikt in een klinische studie met langdurige hersenscans bij patiënten met dementie, die de neiging hebben om te bewegen.

Daarenboven werd een algoritme ontwikkeld om de resolutie van de reconstructie te verbeteren, dat gebruikt kan worden in combinatie met bewegingscorrectie. Resolutiemodellering beoogt een verbetering van de reconstructie door een model van de scanneronzekerheden te incorporeren. Om accuraat te zijn moet het model rekening houden met de positie-afhankelijkheid van die onzekerheden in het gezichtsveld van de PET-scanner. Veelgebruikte technieken passen het model toe in het sinogram of in het beeld, waardoor het moeilijk te combineren is met bewegingscorrectie. De ontwikkelde techniek past het resolutiemodel rechtstreeks toe op “list-mode” data, voor de bewegingscorrectie, waardoor de spatiale variatie correct in rekening wordt gebracht.