Comparison of advanced iterative reconstruction methods for SPECT/CT

Abstract

Aim

Corrective image reconstruction methods which produce reconstructed images with improved spatial resolution and decreased noise level became recently commercially available. In this work, we tested the performance of three new software packages with reconstruction schemes recommended by the manufacturers using physical phantoms simulating realistic clinical settings.

Methods

A specially designed resolution phantom containing three ^99mTc lines sources and the NEMA NU-2 image quality phantom were acquired on three different SPECT/CT systems (General Electrics Infinia, Philips BrightView and Siemens Symbia T6). Measurement of both phantoms was done with the trunk filled with a ^99mTc-water solution. The projection data were reconstructed using the GE's Evolution for Bone^®, Philips Astonish^® and Siemens Flash3D^® software. The reconstruction parameters employed (number of iterations and subsets, the choice of post-filtering) followed theses recommendations of each vendor. These results were compared with reference reconstructions using the ordered subset expectation maximization (OSEM) reconstruction scheme.

Results

The best results (smallest value for resolution, highest percent contrast values) for all three packages were found for the scatter corrected data without applying any post-filtering. The advanced reconstruction methods improve the full width at half maximum (FWHM) of the line sources from 11.4 to 9.5 mm (GE), from 9.1 to 6.4 mm (Philips), and from 12.1 to 8.9 mm (Siemens) if no additional post filter was applied. The total image quality control index measured for a concentration ratio of 8:1 improves for GE from 147 to 189, from 179. to 325 for Philips and from 217 to 320 for Siemens using the reference method for comparison. The same trends can be observed for the 4:1 concentration ratio. The use of a post-filter reduces the background variability approximately by a factor of two, but deteriorates significantly the spatial resolution.

Conclusions

Using advanced reconstruction algorithms the largest improvement in image resolution and contrast is found for the scatter corrected slices without applying post-filtering. The user has to choose whether noise reduction by post-filtering or improved image resolution fits better a particular imaging procedure.

Zusammenfassung

Hintergrund und Zielsetzung

Seit kurzem sind iterative Rekonstruktionsverfahren, mit denen Schnittbilder mit verbesserter räumlicher Auflösung und Verringerung des Rauschens errechnet werden können, kommerziell erhältlich. In dieser Arbeit wurde die Performance von drei Softwarepaketen mit Hilfe von Phantomstudien unter realistischen klinischen Bedingungen untersucht.

Material und Methoden

Ein speziell entwickeltes Phantom, bestehend aus drei parallelen ^99mTc-Linienquellen sowie das NEMA NU-2-Bildqualitätsphantom wurden mit SPECT/C-Systemen dreier verschiedener Hersteller (General Electric Infinia, Philips BrightView und Siemens Symbia T6) aufgenommen. Der Torso beider Phantome wurde zur Messung mit einer ^99mTc-Wasser-Lösung gefüllt. Nach der SPECT-Aufnahme wurden aus den Projektionsdaten mit der Rekonstruktionssoftware GE's Evolution for Bone^®, Philips Astonish^® und Siemens Flash3D^® transaxiale Schnittbilder berechnet. Die von den Herstellern vorgeschlagenen Rekonstruktionsparameter (Anzahl der Iterationen und Subsets sowie die Wahl des Post-Filters) wurden verwendet. Die so gewonnenen Resultate wurden mit einer Referenzrekonstruktion (ordered subset expectation maximization: OSEM) verglichen.

Ergebnisse

Die besten Resultate (kleinster Wert für die Auflösung und größte Kontrastwerte) für alle drei Softwarepakete wurden für die streustrahlungskorrigierten Schnittbilder ohne jegliche Anwendung einer Filterung gefunden. Die neuen, verbesserten Rekonstruktionsmethoden führten zu einer Verbesserung der Auflösung (full width at half maximum, FWHM) von 11,4 zu 9,5 mm (GE), von 9,1 zu 6,4 mm (Philips) und von 12,1 zu 8,9 mm (Siemens). Der zur Beurteilung der Bildqualität herangezogene „Total image quality control index“ erhöht sich bei einem Konzentrationsverhältnis Kugeln zu Hintergrund von 8:1 von 147 zu 189 (GE), von 179 zu 325 (Philips) und von 217 zu 320 (Siemens). Derselbe Trend kann beim Kontrastverhältnis 4:1 beobachtet werden. Die nachträgliche Verwendung eines Filters verringert die Backgroundvariabilität um den Faktor 2, verschlechtert jedoch signifikant die räumliche Auflösung.

Schlussfolgerungen

Bei der Verwendung von iterativen Rekonstruktionsmethoden, welche die Systemauflösung berücksichtigen, findet man die besten Ergebnisse bei streustrahlungskorrigierten Schnittbildern ohne nachträgliche Filterung. Als Benutzer kann man zwei verschiedene Einstellungen wählen: Verringerung des Rauschens durch Verwendung des Postfilters oder Verbesserung der Auflösung ohne jegliche Filterung.