Forschungsbericht 2002-2003

Forschungsinhalte dieser Gruppe sind primär die in der Nuklearmedizin angewandten emissionstomographischen bildgebenden Verfahren Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und Einzel-Photonen-Emissions-Tomographie (SPECT). Als Folge neuartiger, in der Arbeitsgruppe entwickelter Konzepte zur simultanen Bildgebung kleiner Tiere mittels SPECT und optischer Verfahren (SPECT-OT), ist die Erforschung mathematisch/physikalischer Aspekte optischer Photonenausbreitungen im Gewebe ebenso ein zentraler Forschungsgegenstand. Die Ziele dieser Arbeitsgruppe sind darauf ausgerichtet, die diagnostische Wertigkeit der Modalitäten durch anwendungsspezifische Instrumentierungsoptimierung und durch Entwicklung von tracer-/markerspezifischen Modellen der kinetischen Bildanalyse zu verbessern, und sie durch optimierte Korrektur-, Bildrekonstruktions- und Registrierungsverfahren als Eckpfeiler in der Tumordiagnostik zu etablieren. Entwickelt wurden und gegenwärtig werden in dieser Gruppe ebenso modernste Algorithmen und Applikationen zur realistischen Simulation von emissionstomographischen und optischen bildgebenden Verfahren. Hierfür wurden komplexe hybride anthropomorphische Phantome entwickelt, mittels derer PET und SPECT Projektionsdatensätze erzeugt werden, die unter Berücksichtigung zum Teil neu entwickelter statistischer Streu- und Schwächungskorrekturmethoden rekonstruiert werden. Sie dienen auch zur Erzeugung dynamischer Verteilungen um kinetische Modellierungsansätze für radiomarkierter Tracer zu evaluieren.

Wissenschaftliche Studien wurde durchgeführt, um die anwendungsspezifische Leistungsfähigkeit tomographischer Systeme unter diversen Aufnahmeprotokollen zu bewerten und zu optimieren. Um durch Aktivitätsanreicherungen außerhalb des Gesichtsfeldes bei 3D PET-Messungen verursachte, algorithmisch unkorrigierbare Streuanteile in den Projektionen zu minimieren, wurde eine Vorrichtung konstruiert, mit welcher eine deutliche Verringerung dieser Streuanteile und somit ein verbessertes Signal zu Rausch Verhältnis erzielt werden konnte [14]. Basierend auf einem neuentwickelten Monte Carlo (MC) Simulationsprogramm wurde ein auf Einzellochkollimation basierter Dualmodalitäten-Kleintiertomograph konstruiert, welcher es ermöglicht, radioisotopische und optische Photonenverteilungen simultan und vom gleichen Projektionswinkel mit räumlich erzielbaren Auflösung von weniger als 1mm zu detektieren [6, 7, 8, 16]. Aufgrund der exakten physikalischen Modellierung und der vielseitigen Anwendbarkeit des MC Simulationsalgorithmus' sowohl in SPECT und PET als auch in optischen Systemen [26] wurde das Programm in einer Anzahl von Instrumentierungsstudien eingesetzt [9, 10, 11, 12, 22]. Neben der Entwicklung von analytischen Phantommodellen [1, 2, 3, 5] gelang es erstmals, biologische Modelle des Tumorwachstums vollständig in die MC Simulation zu integrieren [17, 18, 25].

Die der Bildrekonstruktion zugrundeliegenden mathematischen Verfahren haben einen entscheidenden Einfluß auf die erzielbare Bild- und folglich diagnostische Qualität. Kernprojekte der Arbeitsgruppe sind daher das Studium und die Entwicklung von Rekonstruktionsalgorithmen, sowie darin integrierte Streu- und Schwächungskorrekturverfahren [23]. Eine existierende Methode zur Streukorrektur wurde mittels eines neuartigen Modelansatzes algorithmisch weiterentwickelt und signifikant, hinsichtlich der klinischen Anwendbarkeit, optimiert [15]. Möglichkeiten zur Überlagerung von PET Daten mit anatomischen bildgebenden Verfahren - Magnetresonanztomographie (MRT), Computertomographie (CT) -wurden ausführlich studiert, besonders im Bezug auf die Anwendbarkeit in der Strahlentherapie. Ein besonderer Schwerpunkt bildet die Registrierung von MRI-PET und CT-PET Hirndaten, wobei ein auf Mutual Informationen basierter Algorithmus exakte Ergebnisse liefert [24].

Die Entwicklung und Bewertung von tracerspezifischen pharmakokinetischen (PK) Modellen sowie die Implementierung von kinetischen Analysemethoden innerhalb von optimierten Rekonstruktionsstrategien ist zentraler Forschungsgegenstand [13, 21]. Hierbei erwies sich die Integration von Kompartimentmodellen in die analytische Repräsentation anthropomorphischer Phantome als integraler Bestandteil der MC Simulation von PET Systemen als außerordentlich wertvoll für das Studium statistisch-mathematischer Aspekte von PK Modellen. So konnten Untersuchungsprotokolle für dynamische PET Studien optimiert und Wechselbeziehungen bestimmter physikalischer Parameter des Aufnahmesystems (intrinsische Kameraauflösung, 2D/3D Akquisitionsmodi) mit der Güte kinetischer Modelle nachgewiesen werden [4, 20].

[1] J. Peter "Modellierung und Simulation der Kinetik radiopharmazeutischer Verteilungen mittels anthropomorphischer Phantome" RöFo - Proc. 83th Deutscher Röntgenkongress. Hrsg.: Deutsche Röntgengesellschaft. Wiesbaden, Germany: DRG, p. 261, 2002.
[2] J. Peter, M. Henze, W. Semmler "Monte Carlo Simulation of Tracer-Kinetic PET and SPECT Studies Using Dynamic Hybrid Phantoms" J. Nuclear Medicine, vol. 43 p. 146, 2002.
[3] J. Peter, J. Doll, W. Semmler "Design und Anwendung hybrider Phantome zur Modellierung nichtstatischer Geometrien und dynamischer Aktivitätsverteilungen in PET und SPECT Monte Carlo Simulationen" Proc. 40th Jahrestagung der Gesellschaft für Nuklearmedizin, DGN, 2002.
[4] J. Peter, J. Doll, R. Saffrich, W. Semmler: "Der Einfluß von Akquisitions- und Rekonstruktionsparametern auf die Güte tracerkinetischer Modelle in der Emissionstomographie -Eine Monte Carlo Simulationsstudie" Proc. Deutsche Gesellschaft für Medizinische Physik, DGMP, 2002.
[5] R. Saffrich, W. Semmler, J. Doll, J. Peter "Analytisches Mausphantom unter Verwendung superquadratischer Körper zur Simulation von Kleintiertomographen" Proc. DGMP, 2002.
[6] J. Peter, M. Bock "Design Study of A Novel Dual-Modality Emission Micro-Imaging Tomograph for Radiopharmaceutical and Bioluminescent/Fluorescent Molecular Approaches" Proc. 1st IEEE/NIH/NIBIB International Symposium on Biomedical Imaging, Washington, D.C., USA: ISBI, pp. 797-800, 2002.
[7] J. Peter "Dual-Modality Emission Micro-Imaging Tomography Device." (Patent), 2002.
[8] J. Peter, R. Saffrich, W. Semmler "Simultaneous Simulation of Isotopic and Optical Photons for Micro-Tomographic Imaging Approaches" Eur. J. of Nuclear Medicine, vol. 29, 8, p. 116, 2002.
[9] J.E. Bowsher*, M.P. Tornai*, S.D. Metzler*, J. Peter, R.J. Jaszczak* "SPECT breast imaging using more nearly complete orbits and combined pinhole-parallel-beam collimation." IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 49, pp. 1342 - 1348, 2002.
[10] J.E. Bowsher*, M.P. Tornai*, J. Peter, A. Kroll*, D.R. Gilland*, D. Gonzalez-Trotter*, R.J. Jaszczak* "Multiple Transmission Sources and Modeling the Axial Resolution of a Line Source." IEEE Transactions on Medical Imaging, vol. 21, no. 3, pp. 200 - 215, 2002.
[11] M. Chen*, J. Peter, R.J. Jaszczak*, D.R. Gilland*, J.E. Bowsher*, M.P. Tornai*, S.D. Metzler* "Observer Studies of Cardiac Lesion Detectability with Triple-Head 360 Deg. Vs. Dual-Head 180 Deg. SPECT Acquisition Using Simulated Projection Data." IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 48, no. 4, pp. 1428 - 1434, 2002.
[12] S.D. Metzler*, J.E. Bowsher*, M.P. Tornai*, B.C. Pieper*, J. Peter, R.J. Jaszczak* "SPECT Breast Imaging Combining Horizontal and Vertical Axes of Rotation." IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 49, no. 1, pp. 31 - 36, 2002.
[13] G. Brix*, M.E. Bellemann*, H. Hauser, J. Doll, "Recovery-Koeffizienten zur Quantifizierung der arteriellen Inputfunktion aus dynamischen PET-Messungen: experimentelle und theoretische Bestimmung" Nuklearmedizin, vol. 41, pp. 184-190, 2002.
[14] J. Doll, R. Saffrich, J. Peter, H. Hauser, G. Brix*, W. Semmler "Auswirkungen zusätzlicher Bleiabschirmungen bei PET-Messungen im 3D- und 2D-Modus auf den Einfluss externer Aktivitäten" Proc. DGMP, 2002.
[15] A. Werling, O. Bublitz, J. Doll, L. Adam*, G. Brix* "Fast implementation of the single scatter simulation algorithm and its use in iterative image reconstruction on PET data" Physics in Medicine & Biology, vol. 47, pp. 2947-2960, 2002.
[16] J. Peter, R.B. Schulz, W. Semmler "Simultaneous Imaging of Optical and Isotopic Photon Distributions in Mice Using a Combined PH SPECT-OT Scanner - A Monte Carlo Simulation Study." Molecular Imaging and Biology, vol. 5, no. 3, p.123, 2003.
[17] J. Peter, W. Semmler "Integrating Kinetic Models for Simulating Tumor Growth in Monte Carlo Simulation of ECT Systems" Proc. IEEE Medical Imaging Conf., M9-7, 2003 (in press).
[18] J. Peter, W. Semmler "Integrating Kinetic Models for Simulating Tumor Growth in Monte Carlo Simulation of ECT Systems" submitted IEEE Transactions on Nuclear Science, 2003.
[19] R. Kinscherf, K. Schmidt, J. Hoffend, A. Altmann, L.G. Strauss, J. Peter, T.J. Dengler, S. Vorwald, H. Eskerski, J. Metz, U. Haberkorn "Überexpression von humanem Angiostatin bzw. Troponin I erhöht die Perfusion und Apoptose bei Rattenhepatomen" Proc. Deutsche Anatomische Gesellschaft, 2003.
[20] J. Peter, S. Loukianouk, W. Semmler "Evaluation of Pharmacokinetic Models by Means of Monte Carlo Simulated Tracerkinetic Time Frame Data." Eur. J. Nuclear Medicine, vol. 30(2), pp. 215-216, 2003.
[21] K. Schmidt, J. Hoffend, R. Saffrich, J. Peter, R. Kinscherf, U. Haberkorn "Perfusion Studies with H215O in Hangiostatin and Htroponin I-Expressing Rat Hepatomas." J. Nuclear Medicine, vol. 44(5), p. 374, 2003.
[22] M.P. Tornai*, J.E. Bowsher*, C.N. Archer*, J. Peter, R.J. Jaszczak*, L.R. MacDonald*, B.E. Patt*, J.S. Iwanczyk* "A 3D Gantry Single Photon Emission Tomograph with Hemispherical Coverage for Dedicated Breast Imaging." Nuclear Inst. and Methods in Physics Research A, vol. 497(1), pp. 157-167, 2003.
[23] J. Doll, M. Henze, O. Bublitz, A. Werling, L. Adam*, U. Haberkorn, W. Semmler, G. Brix* "Auflösungsverbessernde Rekonstruktion von PET Bildern mit dem iterativen OSEM Algorithmus" submitted Zeitschrift für Nuklearmedizin, 2003.
[24] J. Doll, R. Bendl, M. Henze, P. Hipp, T. Brückner, A. Hoess, J. Debus, W. Schlegel "Measurements on the Precision of the Registration of Cerebral CT and PET Volume Data by Maximization of the Mutial Information" submitted J. of Radiotherapy and Oncology, 2003.
[25] J. Peter, S. Loukianiouk, W. Semmler "Integration von Modellen zur Simulation von Tumorwachstum in die MC Simulation von ECT Systemen" Proc. Deutsche Gesellschaft für Medizinische Physik, DGMP, pp. 120-121, 2003.
[26] S. Loukianiouk, J. Peter, W. Semmler "Eine Java-basierte Arbeitsumgebung zur Steuerung von Monte Carlo Simulationen emissionstomographischer Systeme" Proc. Deutsche Gesellschaft für Medizinische Physik, DGMP, pp. 354-355, 2003.

Author: Jörg Peter
2004/01/12