PET-kuvadatan tarkka vaimennus- ja sirontakorjaus edistävät aivosairauksien diagnosointia ja tutkimusta PET/MRI-laitteilla (Väitös: DI Jarmo Teuho, 23.2.2018, lääketieteellinen fysiikka ja tekniikka)

​Turun yliopiston tiedote 21.2.2018

Vaimennuskorjaus ja sirontakorjaus ovat PET-kuviin tehtäviä kvantitatiivisia korjauksia, joilla kompensoidaan kudoksessa aiheutuvasta fotonien vaimenemisesta (attenuaatiosta) ja fotonien sironnasta (ei-toivotusta hajaantumisesta) aiheutuvat virheet. DI Jarmo Teuhon väitöstutkimuksen tavoitteena oli selvittää näiden korjausten tarkkuutta PET/MR-kuvantamisessa käytettäessä 18F-FDG-radiomerkkiainetta.

PET/TT-laitteilla vaimennuskorjaus suoritetaan tietokonetomografia- eli TT-kuvien perusteella, jolloin TT-luvut muutetaan bilineaarisella muunnoksella vaimennuskertoimiksi. Magneettikuvien intensiteettiarvojen ja fotonien vaimenemiskertoimien välillä ei taasen voida johtaa suoraa fysikaalista yhteyttä. Magneettikuvaukseen perustuva vaimennuskorjaus on siten yksi epätarkkuutta aiheuttava tekijä PET/MR- ja PET/TT-laitteiden välillä, koska jokainen magneettikuvaukseen perustuva vaimennuskorjausmenetelmä on siten pohjimmiltaan approksimaatio todellisista kudoksen vaimenemiskertoimista.

Korjausten toimivuus ja uusien korjausmenetelmien soveltaminen ovat erityisen tärkeitä esimerkiksi Alzheimerin taudin, muistisairauksien ja dementian tutkimuksessa ja diagnostiikassa, joissa ollaan kiinnostuneita visuaalisista ja kvantitatiivisista muutoksista PET-kuvissa erityisesti aivojen kortikaalisissa eli kuoriosissa. Epätarkkuudet korjauksissa voidaan tulkita virheellisesti fysiologisiksi muutoksiksi, vaikka niiden alkuperä on tekninen. 

– Näiden kahden datakorjauksen tutkiminen erityisesti PET/MR-kuvantamisessa on tärkeää siksi, että MR-pohjainen vaimennuskorjaus on erityistapaus verrattuna PET/TT-laitteissa käytettävään TT-pohjaiseen vaimennuskorjaukseen. Karkea yksinkertaistus on, että TT-kuvantamisessa saamme mitattua ja johdettua tiedon eri kudoksen vaimenemiskertoimista, kun MR-kuvantamisessa tämä tieto pitää jotenkin approksimoida. MR-vaimennuskorjaus on siis pohjimmiltaan aina eräänlainen arvio TT-pohjaisesta vaimennuskorjauksesta, Teuho selittää.

Uusia menetelmiä MR-pohjaiseen vaimennuskorjaukseen

Tutkimuksen osana Teuho vertaili eri laitevalmistajien PET/MR- ja PET/TT-laitteita käyttäen 3D-tulostettua aivofantomia eli aivoja ja päätä jäljittelevää testikappaletta. Tutkimuksen avulla Teuho sai uutta tietoa laitteiden suorituskykyjen välisistä eroista ja totesi, että yksi suurimpia vaihtelun aiheuttajia PET/MR- ja PET/TT-laitteiden välillä on MR-pohjainen vaimennuskorjaus. Riittävän tarkka korjausmenetelmä kuitenkin minimoi laitteiden väliset erot PET-laitteiden välisen toistettavuuden tasolle.

Yhtenä Teuhon väitöskirjatutkimuksen osatavoitteena oli kehittää edistyneempi menetelmä pään alueen MR-pohjaisen vaimennuskorjauksen suorittamiseen. Yksi käytännön haaste oli luukudoksen erottelu T1-painotteisista magneettikuvista, joissa luukudos ja ilma erottuvat samalla intensiteetillä.

– Kehittämäni menetelmä on periaatteeltaan hyvin yksinkertainen. Siinä erotellaan magneettikuvien perusteella vähintään ilma, pehmytkudos ja luukudos omiin luokkiinsa, jotka voidaan prosessoida edelleen potilaan anatomiaa vastaavaksi vaimennuskartaksi. Muitakin kudosluokkia kolmen edellä mainitun lisäksi on mahdollista käyttää, esimerkiksi ottamaan huomioon erillinen vaimennuskerroin aivokudoksille. Menetelmä ei myöskään vaadi erikoissekvenssejä esimerkiksi luukudoksen erotteluun, vaan se saavuttaa ilman niitäkin riittävän tarkkuuden. Ainoa käytännön vaatimus on, että potilaasta löytyy T1- painotteinen kuvasarja. Yleensä tämänlainen kuvasarja kerätään osana rutiinitutkimusta, Teuho kertoo.

Virheet sirontaestimaateissa vähäisiä

Sirontakorjauksen vaikutusta kuvien visuaaliseen ja kvantitatiiviseen tarkkuuteen Teuho arvioi viimeisessä osatyössään, jossa käytettiin eri tarkkuuksisia MR-pohjaisia menetelmiä. Virheet sironta-arvioissa TT-pohjaisen ja yksinkertaisimman MR-pohjaisen menetelmän välillä olivat hyvin pienet.

– Positiivinen löytö on myös se, että sirontakorjauksella ei havaittu olevan merkittävää vaikutusta kuvien kvantitatiiviseen tai visuaaliseen tarkkuuteen edes silloin, kun luukudos puuttuu MR-pohjaisesta vaimennuskartasta, Teuho täsmentää.

PET/MR-kuvantamisella kasvava rooli aivosairauksien diagnostiikassa ja tutkimuksessa

Teuhon tutkimuksen tulokset ovat hyvin rohkaisevia PET/MR-kuvantamisen yleistymisen kannalta. PET/MR-kuvantamisella on oletettavasti suuri rooli tulevaisuudessa aivosairauksien diagnostiikassa ja tutkimuksessa, joissa samaan aikaan suoritettavasta PET- ja MR-tutkimuksesta saadaan toisiaan täydentävää, diagnostista päätöksentekoa ja tutkimusaihetta tukevaa tietoa.

– PET/TT-laitteiden ja PET/MR-laitteiden väliset suorituskykyerot aivojen kuvantamisessa alkavat olla hyvin pienet verrattuna siihen tilanteeseen, jossa esimerkiksi vuonna 2010 oltiin, Teuho summaa.

***

DI Jarmo Teuho esittää väitöskirjansa MR-based attenuation correction and scatter correction in neurological PET/MR imaging with 18F-FDG julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa perjantaina 23.2.2018 klo 12.00 (Tyks, T-sairaala, Risto Lahesmaa -luentosali, Hämeentie 11, Turku).

Vastaväittäjänä toimii professori Thomas Beyer (Medizinische Universität Wien, Itävalta) ja kustoksena professori Mika Teräs (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen.

DI Jarmo Teuho on syntynyt vuonna 1982 ja kirjoitti ylioppilaaksi Messukylän lukiossa Tampereella vuonna 2001. Teuho suoritti korkeakoulututkintonsa (DI) Tampereen teknillisessä yliopistossa vuonna 2012. Väitöksen alana on lääketieteellinen fysiikka ja tekniikka. Teuho työskentelee Turun yliopiston PET-keskuksessa tutkijana ja fyysikkona.

Väittelijän yhteystiedot: p. 0407741366, jarmo.teuho@tyks.fi

Väittelijän kuva: https://apps.utu.fi/media/vaittelijat/teuho_jarmo.jpg

Väitöskirja on julkaistu sähköisenä: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-29-7138-1