Attenuation correction for PET/MR: Problems, novel approaches and practical solutions

Attenuation correction in PET is the primary prerequisite for quantification of the radiotracer's signal. Absolute quantification is the key to improve diagnostic performance, to enable comparisons between follow-up examinations and to perform pharmacokinetic modeling. A large fraction of the 511 keV annihilation photons from the positron emitters are scattered by the patient's body. Thus, they are discarded or do not even reach the PET detectors, while others are identified at the wrong location after being scattered. To account for these effects and thus generate quantitative PET images showing the actual activity distribution, it is necessary to determine an attenuation map with the appropriate attenuation coefficients for 511 keV photons at each voxel. In hybrid PET/CT systems, this is achieved using the information about the tissue electron density provided by the CT and adjusting it for the difference in photon energy. In PET/MR systems, there is no mechanism to directly measure the attenuation coefficients of the tissue. Determining the attenuation map in PET/MR is an important challenge involving two problems: the determination of the patient's attenuation map and the determination of the attenuation introduced by additional hardware components. We describe the approaches investigated to deal with these problems and, based on the experience with a fully integrated PET/MR system, we finally discuss potential solutions and limitations in a close to routine setting.

ZusammenfassungEine grundlegende Voraussetzung für die quantitative PET-Bildgebung liegt in der erfolgreichen Schwächungskorrektur. Die Möglichkeit dieser absoluten Quantifizierung der Aufnahme von Radiopharmazeutika ist einer der primären Unterschiede zur der konventionellen nuklearmedizinischen Bildgebung. Erst damit ergibt sich z.B. die Vergleichbarkeit serieller Untersuchungen und die Möglichkeit kinetischer Modellierungen physiologischer Prozesse. Die Schwächungskorrektur ist deswegen von fundamentaler Bedeutung, da ein großer Anteil der 511 keV-Vernichtungsquanten aus dem Positronenzerfall im Körper des Patienten gestreut wird. Somit erreicht nur ein Teil der Quanten die Detektoren oder wird durch die Streuablenkung falsch zugeordnet. Diese Prozesse können korrigiert werden, sofern die räumliche Verteilung des schwächenden Gewebes und dessen Schwächungskoeffizienten bekannt sind. Im Fall eines anderen hybriden Bildgebungsverfahrens – der PET/CT – misst man diese Verteilung mit Hilfe des integrierten Computertomographen, wobei in guter Näherung nur Korrekturen für die unterschiedlichen Energien notwendig sind. In PET/MR-Systemen stellt sich nun eine neue Herausforderung, da der Kernspintomographie die Bestimmung der Röntgendichte des Gewebes nicht zugänglich ist. Allerdings ist das nur ein Aspekt, wenngleich ein sehr komplexer. Zusätzlich werden die 511-keV-Quanten aber auch durch eine erhebliche Menge messtechnisch notwendiger Komponenten des MR-Gerätes geschwächt. Dieser Übersichtsartikel präsentiert auf der einen Seite publizierte Lösungsvorschläge für diese Probleme. Darüber hinaus werden aber auch – basierend auf den ersten Erfahrungen mit einem vollständig integrierten Ganzkörper-PET/MR-System – deren praktische Umsetzung und Limitationen im routinenahen Betrieb diskutiert.