Towards the Development of a Breast PET/MRI Insert for a Clinical Whole-Body PET/MRI Scanner

Abstract

Die Positronen Emissions Tomographie (PET) und die Magnet Resonanz Tomographie (MRT) sind nicht-invasive Bildgebungsverfahren, welche bei onkologischen Fragestellungen verwendet werden. Mithilfe von PET ist es möglich unter Zuhilfenahme eines radioaktiv markierten Tracers biologische Prozesse auf der molekularen Ebene zu visualisieren. Bei der MRT werden anhand von magnetischen Feldern und deren unterschiedlichen Auswirkungen auf die verschiedenen Gewebearten anatomische und funktionelle Bilder mit einem hohen Weichteilkontrast erzeugt. Eine Kombination dieser beiden Bildgebungsmodalitäten kann genutzt werden, um eine Verbesserung der onkologischen Bildgebung zu ermöglichen in Form einer besseren Diagnose, individuell angepasster Therapieplanung sowie einer genaueren Beobachtung der Therapieantwort. Die Kombination von PET und MRT wird auch für die Bildgebung von Brustkrebs genutzt, die am häufigsten auftretende Krebsart bei Frauen. Um hierbei die MRT- Bildqualität zu verbessern, wird eine spezielle Hochfrequenz (HF) Spule für die Brust eingesetzt. Die PET-Bildgebung wird derzeit hingegen noch mit Ganzkörper PET/MRT-Systemen durchgeführt. Nachteilig daran sind die Einschränkungen hinsichtlich der Ortsauflösung und der Sensitivität, welche durch das in dieser Arbeit vorgestellte Brust PET/MRT-Insert, einem eigenständigen PET-Scanner für die Brust, verbessert werden sollen. Hierfür wurde ein rudimentäres Design für das Insert erarbeitet, welches die Integration in die HF-Spule, die Anforderungen an die PET-Detektoren und den simultanen Betrieb innerhalb des Ganzkörper PET/MRT-Scanners beinhaltet. Weiterhin wurde das Konzept von Ereignissen, die koinzident zwischen beiden PET-Systemen auftreten, eingeführt. Hieraus ergibt sich das Potenzial einer Identifikation von kleinen Metastasen im Bereich des Brustkorbs und der Achsel. Als mögliche PET-Detektoren und Systemelektronik bieten sich die Hamamatsu PET-Module (Hamamatsu Photonics K.K., Hamamatsu, Japan) aufgrund ihrer hohen Performanz, Modularität und Möglichkeit zur kompakten Integration an. Umfangreiche Tests wurden durchgeführt, um zu bewerten, ob sich die PET-Module zur Realisierung des Brust PET/MRT-Inserts nutzen lassen. Zunächst wurde gezeigt, dass ein konstanter Betrieb über einen längeren Zeitraum und Temperaturbereich möglich ist. Da die verfügbaren Szintillationskristalle für die PET-Module zu groß gewesen wären, um eine hohe Ortsauflösung mit dem PET/MRT-Insert zu erreichen, wurde in dieser Arbeit ein Detektor mit dazugehöriger Signalauswertung entwickelt welcher ermöglicht 1.5 mm große Kristalle auszulesen. Des Weiteren wurde der Betrieb der PET-Module innerhalb des MRT-Scanners untersucht. Die Integration eines PET-Systems in einen MRT-Scanner kann zu elektromagnetischen Störungen der Magnetfelder führen. Zusätzlich muss das PET-System den starken magnetischen Feldern des MRT-Scanners standhalten, welche zu Störungen in dessen Leitungen und innerhalb dessen Elektronik führen können. Da die PET-Module ursprünglich nicht für einen Einsatz innerhalb eines MRT-Scanners vorgesehen waren, mussten im Rahmen dieser Arbeit dahingehend Änderung durchgeführt werden. Deren Einfluss auf eine Kompatibilität des PET und MRT-Systems wurde stetig mithilfe von speziellen Testsequenzen und eigens dafür entwickelten Auswertemethoden der PET-Daten getestet, welche Rückschlüsse auf die Störung durch einzelne Komponenten des MRT-Scanners zuließen. Die gegenseitige Beeinflussung von PET und MRT konnte ausreichend minimiert werden durch das Verlegen eines Teils der Elektronik außerhalb des MRT-Raumes, einer HF-Abschirmung der Detektoren, einer gefilterten Spannungsversorgung sowie einer optischen Signalübertragung. Zusammenfassend wurden im Rahmen dieser Arbeit fundamentale Aspekte für die Entwicklung des Brust PET/MRT-Inserts für den parallelen Betrieb innerhalb eines Ganzkörper PET/MRT-Scanners erarbeitet. Aufbauend auf dieser Arbeit ist es möglich weitere Entwicklungen und Simulationen des Komplettsystems durchzuführen. Des Weiteren sind die Ergebnisse aus dieser Arbeit nicht nur für die Entwicklung des Brust PET/MRT-Inserts relevant. Vielmehr können sie auch auf andere PET-Systeme übertragen werden, wie beispielsweise zur Kleintier- oder Hirnbildgebung, und geben allgemein Aufschluss darüber, wie ein Betrieb von PET-Detektoren innerhalb eines MRT-Scanners ermöglicht werden kann.

Amongst the noninvasive imaging technologies that are routinely used for clinical diagnostics, two are of particular interest for oncological imaging: positron emission tomography (PET), which utilizes a radioactive labeled tracer to monitor biological processes with great precision down to the molecular level, and magnetic resonance imaging (MRI), a radiation-free technology that makes use of magnetic fields and their distinct responses to different tissues to gather both anatomical and functional information with high soft tissue contrast. The complementary combination of both modalities further boosts their value for oncological imaging by enhancing the accuracy of the diagnosis, allowing for individual therapy planning, and monitoring the treatment response. Combined PET/MRI is currently used to detect breast cancer, the most commonly diagnosed cancer in women. To this end, a radio frequency (RF) coil dedicated to the breast is used to enhance the quality of the MR image. PET imaging, however, is still performed using clinical whole-body PET systems without taking into account the demand for high resolution in the submillimeter range to detect small lesions inside the breast. To overcome the inherent disadvantages, such as limited spatial resolution and sensitivity, this thesis considers the design and development of a dedicated breast PET/MRI insert. For this purpose, design concepts were developed, including the initial geometry of the insert, its integration into the RF coil, the constraints on the PET detectors, and the possibility of a simultaneous operation with the whole-body PET/MRI scanner. This thesis also introduces the idea of processing mixed events, or events that are detected in coincidence between both PET systems (the breast PET/MRI insert and the whole-body PET/MRI scanner). This method has the potential to resolve small metastases in the thorax and the axilla region of the breast and would significantly improve diagnostic and therapeutic choices. PET detectors and system electronics are essential for building the PET/MRI insert. A promising candidate for this purpose is the Hamamatsu PET modules (Hamamatsu Photonics K.K., Hamamatsu, Japan), as they feature high performance, compact integration, and modular technology, thus providing the flexibility required for prototyping. This study performed comprehensive tests of these modules to evaluate their suitability for use as the breast PET/MRI insert. The results showed that the PET modules could stably operate over time and temperature changes. However, the PET modules were only available with scintillation crystals of such large sizes that the corresponding spatial resolution would be unacceptable for the breast PET/MRI insert. This thesis demonstrated that the Hamamatsu modules could be used with the researcher’s own photosensors and scintillation blocks with a small crystal size of 1.5 mm, enabling a high spatial resolution. Therefore, a prototype detector with a light sharing approach and a corresponding data processing algorithm was developed. In addition to extensively testing the PET hardware, one focus of this work was to evaluate the detector’s performance inside the MRI scanner. The integration of a PET system into an MRI scanner naturally comes with several problems for both modalities. On the one hand, the MRI scanner is a highly sensitive device that can be distorted by the smallest electromagnetic interference. On the other hand, the MRI scanner itself is a harsh environment due to the presence of strong magnetic fields and can potentially interact with the communication lines and electronics of the PET modules. The original PET modules were not designed to operate inside an MRI scanner. Therefore, the work conducted for this thesis included several modifications of the PET system setup and iterative tests for MRI compatibility inside the MRI scanner. Special test sequences and corresponding analysis methods were utilized to gain insight into how the digital PET event data was affected by the individual components of the MRI scanner. Finally, the mutual interference between both systems could be limited to an acceptable level through the following actions: locating the back-end electronics outside of the MRI room, constructing a proper RF shield for the detectors, filtering the power lines, and generating a signal transmission via optical fibers. In summary, this thesis reached essential milestones for developing a breast PET/MRI insert for a clinical whole-body PET/MRI scanner. This work enables a further refined development of the detectors and the entire insert driven by advanced simulations to guide the experimental setup. In addition, the results of this thesis are not specifically limited to the breast insert; instead, they can be applied to other PET systems, such as those used for small animals or brain imaging, as well as to the operation of PET detectors inside MRI scanners in general.