Image Quality Optimisation and Dose Management in CT, SPECT/CT, and PET/CT

Abstract

The significant increase in the use of CT, alone or combined with SPECT or PET, has raised concerns about patient radiation exposure and the consequent increased risk of malignancy later in life. The overall objective of this work was to evaluate and optimise different approaches for minimising patient radiation absorbed dose and maintaining or improving image quality in CT, SPECT/CT, and PET/CT.



One way to achieve optimisation is to use automatic exposure control (AEC) systems in CT. The reduction in radiation absorbed dose ranges from 35-60% for an anthropomorphic chest phantom, depending on the system and AEC settings. The variation in image noise among images obtained along the scanning direction is lower when using the AEC systems, but the image noise generally increases.



Evaluation of an abdominal CT protocol, aimed to reduce age-specific risks, demonstrated that an increased amount of intravenous contrast medium can compensate for a reduced radiation absorbed dose and vice versa, maintaining the signal-to-noise ratio in the liver and contrast-to-noise ratio for a hypothetical hypovascular liver metastasis. Subjective image quality was affected by an increased noise level in the images, but was judged to be acceptable in all investigated patient groups except the one with the lowest radiation absorbed dose. The effective dose was reduced by 57% in the youngest patient group and the amount of intravenous contrast medium was reduced by 18% in the elderly group.



Organ and effective doses to the patient using a cone-beam O-arm system in spinal surgery were estimated using the Monte Carlo technique. The highest estimated absorbed doses were in the breast and lungs when scanning the thoracic spine, and stomach when scanning the lumbar spine. The effective dose was reduced to 1.5-2.4 mSv, which is 5 times lower than the scan settings recommended by the manufacturer for intra-operative imaging of small patients, without a negative impact on image quality in regard to the information required for spinal surgery.



A new patent-filed phantom, the MADEIRA phantom, has been developed for the investigation of spatial resolution, partial volume effect (intensity diffusion), and detectability in nuclear medicine tomography. The phantom has been tested and shows potential as a useful and important practical tool in the evaluation and optimisation work.



New image reconstruction methods are constantly being developed. Three different reconstruction methods for SPECT were optimised and compared in a visual assessment of 123I-MIBG. Based on a rank-order study, Siemens Flash 3D using 32 (4 h post-injection) and 16 (24 h post-injection) equivalent iterations were found to be the preferable reconstruction algorithms.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Det diagnostiska värdet av röntgen- och nuklearmedicinska undersökningar kan knappast över¬skattas. Däremot innebär undersökningar som baseras på joniserande strålning en liten risk för patienten att senare i livet utveckla en cancer. Därför är det vår skyldighet att hålla stråldoserna så låga som möjligt med bibehållen diagnostisk noggrannhet. Idag utgör medicinska undersökningar en betydande del av befolkningens exponering för joniserande strålning. Dessutom ökar stråldoserna inom sjukvården för varje år och det ökade antalet CT-undersökningar är den största orsaken till denna växande andel av kollektiv¬dosen. Flera av de avbildningstekniker som används idag är ännu inte optimerade med hänsyn till bildkvalitet och patientstråldos. Detta gäller särskilt undersökningar med CT, SPECT/CT och PET/CT. Idag finns det olika metoder för att sänka stråldoserna. Den svåra frågan att utreda är vad som är tillräcklig stråldos för en viss undersökning utan att den diagnostiska säkerheten blir för låg. Det övergripande syftet med denna avhandling är att förbättra och systematiskt utvärdera bildkvalitet och patientstråldos vid bild- och funktions¬undersökningar.



Avhandlingen innehåller studier av system för exponeringsautomatik på CT, med vilka rörströmmen anpassas efter varje patients storlek och form samt röntgenstrålningens absorption och spridning. Dessa olika system har utvärderats beträffande sin effektivitet, såväl med avseende på bildkvalitet som patientstråldos. Beroende på system och inställningar minskade absorberad dos med 35-60 % för ett antropomorfiskt thoraxfantom. Brusnivån i bilderna blev mer jämn mellan olika anatomiska regioner även om bruset generellt ökade.



För att förbättra den diagnostiska informationen vid CT-undersökningar tillförs ofta kontrastmedel som kan ha en oönskad påverkan på njurfunktionen, särskilt för äldre patienter. Risken för sena effekter av strålning (cancer) är däremot högst för yngre patienter. Genom att justera mängd kontrastmedel mot stråldos kan risker i olika åldrar minimeras. För yngre patienter (16-25 år) kunde stråldosen mer än halveras. Detta kunde göras genom att mängden kontrastmedel ökades så att signal-till-brus-förhållande i levern bibehölls och kontrast-till-brus-förhållande för en tänkt levermetastas som bara sparsamt fylls med kontrastmedel bibehölls. Hos äldre patienter (>75 år) kunde mängden kontrastmedel minskas med 18 % genom att stråldosen ökades med 46 % för bibehållen bildkvalitet.



Kliniska undersökningsprotokoll för ett mobilt intraoperativt bildsystem (O-arm) bestående av en CT med ett konformat strålknippe har optimerats för användning vid kirurgiska ingrepp i ryggraden. Organdoser och effektiv dos har beräknats genom Monte Carlo simulering och erhållna bilder har bedömts av observatörer. Resultatet visade att effektiv dos kan reduceras till 1,5-2,4 mSv med tillräcklig bildkvalitet för ändamålet, vilket är 5 gånger lägre stråldos jämfört med de inställningar som tillverkaren angivit för bildtagning av en liten patient.



Inom ramen för ett EU-projekt har ett nytt fantom benämnt MADERIA tagits fram för optimering av nuklearmedicinsk diagnostik. Fantomet är unikt i sin konstruktion med ett stort antal lika stora ihåliga koner vilka kan fyllas med radioaktiva lösningar av olika aktivitetskoncentration. Detta möjliggör studier av rumslig upplösning, partiell volymseffekt (intensitetsdiffusion) och detekterbarhet. Baserat på erfarenhet av olika fantom¬mätningar har fantomet vidareutvecklats. Fantomet har potential att bli ett användbart och viktigt verktyg i optimeringsarbetet av SPECT- och PET-undersökningar.



Ständigt sker det förbättringar och utveckling av nya typer av bildrekonstruktions-metoder. Tre olika rekonstruktionsmetoder för SPECT har optimerats och jämförts i en observatörsstudie av 123I-MIBG-bilder vid misstanke om tumör-sjukdom. Bilderna presenterades och rangordnades med hjälp av ett bildvisnings-program som anpassades för observatörsstudier med möjlighet att visa upp till 8 olika rekonstruktioner sida vid sida. För den nyttjade SPECT-kameran och parameter¬inställningar bedömdes Siemens algoritm Flash 3D med 32 (4h efter injektion) och 16 (24h efter injektion) ekvivalenta iterationer ge bäst bildkvalitet.



Det finns utrymme för fortsatt optimering av bildkvalitet och stråldos. Ständigt pågår utveckling av ny teknologi som möjliggör detta. Framtida potentiella tekniker såsom energiupplösande detektorer i kombination med kontrastmedel baserade på ämnen med högt atomnummer och förbättrade iterativa bildrekonstruktionsmetoder kommer medföra nya medicinska applikationer. Detta kommer även i fortsättnigen fordra ett nära samarbete mellan sjukhus-fysiker, tillverkare, radiologer, nuklearmedicinare, röntgensjuksköterskor, biomedicinska analytiker och remitterande läkare. Målet är att fastställa tillräcklig bildkvalitet för en specifik diagnostisk frågeställning med lägsta möjliga effektiv dos till patienten.

• author: Söderberg, Marcus
• supervisor: Sören Mattsson; Mikael Gunnarsson; Sigrid Leide Svegborn; Peter Leander; Helena Uusijärvi; Sven Valind
• opponent: Sandborg, Michael, Department of Medical Radiation Physics, Faculty of Health Sciences, Linköping University
• organization: Medical Radiation Physics, Malmö (research group); BioCARE: Biomarkers in Cancer Medicine improving Health Care, Education and Innovation
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Radiology, Nuclear Medicine and Medical Imaging
• keywords: CT, SPECT, PET, dosimetry, image quality, optimisation, dose reduction, automatic exposure control, contrast medium, phantom, image reconstruction, human observer
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2012:22
• pages: 80 pages
• defense location: Skåne university hospital Malmö, Diagnostic Center, room 2005-2007
• defense date: 2012-03-16 09:15:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-86871-84-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 76569bc0-50ae-4f40-84f4-294bf6fd5199 (old id 2343346)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:16:59
• date last changed: 2023-04-18 20:18:28