MDCK-MRP2 - Dkfz

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Forschungsschwerpunkt E
Innovative Krebsdiagnostik und -therapie
Eine leistungsfähige medizinische Ausrüstung auf hohem
qualitativem Standard ist eine wesentliche Grundlage für
eine aussagekräftige Diagnostik. Um hierfür die gerätetechnische
Situation zu überprüfen und Verbesserungen zu
erreichen, werden im Rahmen von nationalen und internationalen
Qualitätssicherungsstudien ständig vergleichende
Kontrollen durchgeführt und die Entwicklung neuer
Messmethoden vorangetrieben. Zur Erreichung und Unterstützung
dieser Ziele wird die Einführung eines zertifizierten
Qualitätsmanagementsystems angestrebt, das nach den
EG-Richtlinien sowie den nationalen gesetzlichen Bestimmungen
für medizinische Einrichtungen zukünftig gefordert
und für die Zulassung selbst entwickelter Produkte in
der medizinischen Forschung entscheidende Voraussetzung
sein wird.
Funktionelle und Molekulare Emissionstomographie
J. Peter, J. Doll, O. Nix, R. Saffrich, S. Loukianiouk,
R. Schulz
In Zusammenarbeit mit: U. Haberkorn, L.G. Strauss, A. Dimitrakopoulou-Strauss,
M. Henze, J. Hoffend, K. Schmidt, R. Bendl, J.
Debus, DKFZ; M.F. Smith, Thomas Jefferson National Accelerator
Facility, Newport News, USA; R.J. Jasczcak, Department of Radiology,
Duke University Medical Center, Durham, USA; F.
Beekmann, Image Science Institute, University Medical Center
Utrecht, Niederlande; V. Ntziachristos, Center for Molecular Imaging
Research, MGH Harvard University, USA
Forschungsinhalte dieser Arbeitsgruppe 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 Streuund
Schwächungskorrekturmethoden rekonstruiert werden.
Sie dienen auch zur Erzeugung dynamischer Verteilungen,
um kinetische Modellierungsansätze für radiomarkierte
Tracer zu evaluieren.
Instrumentierung und MC Simulation
Wissenschaftliche Studien wurden 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 kon-
Abteilung E020
Medizinische Physik in der Radiologie
DKFZ 2004: Wissenschaftlicher Ergebnisbericht 2002 - 2003
struiert, mit der eine deutliche Verringerung dieser Streuanteile
und somit ein verbessertes Signal zu Rauschen Verhältnis
erzielt werden konnte. Basierend auf einem neuentwickelten
Monte Carlo (MC) Simulationsprogramm wurde
ein auf Einzellochkollimation basierter Dualmodalitäten-
Kleintiertomograph konstruiert, der es ermöglicht,
radioisotopische und optische Photonenverteilungen simultan
und vom gleichen Projektionswinkel mit räumlich erzielbaren
Auflösungen von weniger als 1mm zu detektieren
[1, 2]. Aufgrund der exakten physikalischen Modellierung
und der vielseitigen Anwendbarkeit des MC
Simulationsalgorithmus’ sowohl in SPECT und PET als auch
in optischen Systemen wurde das Programm in einer Anzahl
von Instrumentierungsstudien eingesetzt [3-6, 9].
Neben der Entwicklung von analytischen Phantommodellen
gelang es erstmals biologische Modelle des Tumorwachstums
vollständig in die MC Simulation zu integrieren.
Bildrekonstruktion und Registrierung
Die der Bildrekonstruktion zugrunde liegenden 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.
Eine existierende Methode zur Streukorrektur
wurde mittels eines neuartigen Modelansatzes algorithmisch
weiterentwickelt und signifikant hinsichtlich der klinischen
Anwendbarkeit optimiert [8]. 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.
Tracermodellierung und Modelevaluation
Die Entwicklung und Bewertung von tracerspezifischen
pharmakokinetischen (PK) Modellen sowie die Implementierung
von kinetischen Analysemethoden innerhalb von
optimierten Rekonstruktionsstrategien ist zentraler
Forschungsgegenstand [7]. 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.
Publikationen (* = externer Ko-Autor)
[1] 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.
[2] J. Peter „Dual-Modality Emission Micro-Imaging Tomography
Device.” (Patent), 2002.
[3] 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.