The Estimation and Correction of Rigid Motion in Helical Computed Tomography

X-ray CT is a tomographic imaging tool used in medicine and industry. Although technological developments have significantly improved the performance of CT systems, the accuracy of images produced by state-of-the-art scanners is still often limited by artefacts due to object motion. To tackle this problem, a number of motion estimation and compensation methods have been proposed. However, no methods with the demonstrated ability to correct for rigid motion in helical CT scans appear to exist. The primary aims of this thesis were to develop and evaluate effective methods for the estimation and correction of arbitrary six degree-of-freedom rigid motion in helical CT. As a first step, a method was developed to accurately estimate object motion during CT scanning with an optical tracking system, which provided sub-millimetre positional accuracy. Subsequently a motion correction method, which is analogous to a method previously developed for SPECT, was adapted to CT. The principle is to restore projection consistency by modifying the source-detector orbit in response to the measured object motion and reconstruct from the modified orbit with an iterative reconstruction algorithm. The feasibility of this method was demonstrated with a rapidly moving brain phantom, and the efficacy of correcting for a range of human head motions acquired from healthy volunteers was evaluated in simulations. The methods developed were found to provide accurate and artefact-free motion corrected images with most types of head motion likely to be encountered in clinical CT imaging, provided that the motion was accurately known. The method was also applied to CT data acquired on a hybrid PET/CT scanner demonstrating its versatility. Its clinical value may be significant by reducing the need for repeat scans (and repeat radiation doses), anesthesia and sedation in patient groups prone to motion, including young children

Mathematics and Algorithms in Tomography

This was the ninth Oberwolfach conference on the mathematics of tomography. Modalities represented at the workshop included X-ray tomography, radar, seismic imaging, ultrasound, electron microscopy, impedance imaging, photoacoustic tomography, elastography, emission tomography, X-ray CT, and vector tomography along with a wide range of mathematical analysis

Experimental imaging of asthma progression and therapeutic response in mouse lung models

Asthma ist eine Erkrankung die das komplette Immunsystems involviert, ein System so komplex, dass es sich nur unzureichend in-vitro studieren lässt. Daher haben sich Mausmodelle als ein unverzichtbares Werkzeug in der präklinischen Asthmaforschung etabliert. Da es sich weiterhin bei Asthma um eine Erkrankung handelt, die durch eine schnelle Änderung der Symptome gekennzeichnet ist, wäre longitudinale vorzugsweise nicht-invasive Bildgebung, insbesondere bei der Entwicklung und Bewertung neuer Therapiekonzepte von großem Interesse. Nachteilig hingegen ist, dass die Darstellung der Mauslunge in der Praxis auf Grund der Größe des Organs und, im Falle einer in vivo Bildgebung, durch die Bewegung des Brustkorbes sich als äußerst schwierig herausstellt. Die Vielzahl der Luft-Gewebe-Grenzflächen erzeugt starke Streuung in der optischen Bildgebung, der große Hohlraum der Lunge verursacht Suszeptibilitätsartefakte bei der MRT und die Rippen erschweren eine Ultraschallbildgebung. Aus diesen Gründen besteht ein großer Bedarf an neuen Bildgebungsverfahren, um die durch Asthma verursachten anatomischen, funktionalen und molekularen Veränderungen darstellen zu können. Um die Schwierigkeiten in der Lungenbildgebung bei Mäusen zu umgehen, habe ich mich auf drei wesentliche Bildgebungsstrategien fokussiert: A) anatomische Bildgebung durch “inline free propagation phase contrast computed tomography”, B) direkte Messung der Lungenfunktion durch “low dose planar cinematic x-ray imaging” und C) funktionale Bildgebung mit Hilfe der „near infrared fluorescence imaging“ in Kombination mit Antikörpern, die mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert wurden, oder “smart probes”, die in Gegenwart von Entzündungen aktiviert werden. Durch die Anwendung von “phase contrast computed tomography” für die anatomische Bildgebung war ich in der Lage morphologische Veränderung des Lungengewebes zu quantifizieren, indem ich lokal das Verhältnis zwischen Weichgewebe und Luft, das Zusammenziehen der Luftwege sowie das Anschwellen der Bronchialwände im asthmatischen Lungengewebe ausgewertet habe. Diese Parameter erlaubten es zwischen Mäusen von Asthmamodellen unterschiedlicher Schweregrade, therapierten und gesunden Mäusen zu unterscheiden. Zusätzlich ermöglichte diese Technik die Darstellung intra-tracheal applizierter Bariumsulfat markierter Makrophagen im Lungengewebe. Dies stellt meines Wissens die erste Kombination einer funktionalisierten Kontrastierung und hochauflösender Lungenbildgebung mittels CT unter in vivo ähnlichen Bedingungen dar. Um diese Ergebnisse mit dem Grad der asthmabedingten Kurzatmigkeit zu korrelieren, habe ich eine einfache und verlässige Methode entwickelt die es, basierend auf 2D Röntgen-videos niedriger Röntgendosis (~6,5mGy) erlaubt, in narkotisierten Mäusen die Lungenfunktion zu bewerten. Mit Hilfe dieser neuen Methode gelang es mir charakteristische Unterschiede in der Lungenfunktion von asthmatischen, therapierten und gesunden Mäusen in vivo über die Zeit nachzuweisen, und diese Resultate mit den Ergebnissen von CT und Histologie zu korrelieren. Das Verfahren wird derzeit von mir für die Anwendung an frei beweglichen und nicht narkotisierten Mäusen weiterentwickelt. Dies sollte zu einer deutlichen Stressreduktion für die Maus bei der Untersuchung führen und somit, vor allem in Asthma, im Gegensatz zu etablierten Verfahren wie Plethysmographie, die Erhebung validerer Messdaten erlauben. Mit Hilfe von „near infrared fluorescence imaging“ konnten wir in vivo und longitudinal erfolgreich verschiedene durch Asthma ausgelöste molekulare Veränderungen in der Mauslunge verfolgen. Erstens erlaubte die Verwendung einer neuen Polyglyzerol Probe mit dendritischer Struktur (MN2012) die spezifisch an Selektine bindet, die Darstellung der durch Asthma verursachten Entzündung der Lunge. Im Zuge dessen konnten wir nachweisen, dass sich MN2012  zur Darstellung von Enzymkinetiken bei Entzündungsreaktionen durch eine schnellere Kinetik und höher Spezifität als kommerziell erhältliche Proben auszeichnet. Zweitens haben wir gezeigt, dass in Kombination mit einem Fluoreszenz markiertem Antikörper gegen SiglecF, einem Antigen das hauptsächlich auf Eosinophilen exprimiert ist, Eosinophilie in asthmatischen Mäusen verfolgt und der Effekt einer Dexamethason Behandlung  ebenso dargestellt werden kann. Drittens konnten wir den Verbleib inhalierter fluoreszierender Nanopartikel in der Lunge der Maus in vivo untersuchen und dabei nachweisen, dass diese hauptsächlich von endogenen Makrophagen im Lungengewebe aufgenommen werden. Alle diese Techniken wurden gegeneinander und mittels histologischer Analyse und Fluoreszenzmikroskopie korreliert und validiert.  Zusammenfassend bilden die in meiner Dissertation entwickelten Lungenbildgebungsstrategien für Asthmamausmodelle eine Bildgebungsplattform, um sowohl spezifische Effekte in asthmatischen Mäusen unterschiedlichen Schweregrades als auch die Auswirkungen neuer Therapien abzubilden und im Detail zu untersuchen

CT Scanning

Since its introduction in 1972, X-ray computed tomography (CT) has evolved into an essential diagnostic imaging tool for a continually increasing variety of clinical applications. The goal of this book was not simply to summarize currently available CT imaging techniques but also to provide clinical perspectives, advances in hybrid technologies, new applications other than medicine and an outlook on future developments. Major experts in this growing field contributed to this book, which is geared to radiologists, orthopedic surgeons, engineers, and clinical and basic researchers. We believe that CT scanning is an effective and essential tools in treatment planning, basic understanding of physiology, and and tackling the ever-increasing challenge of diagnosis in our society

Refraction-compensated motion tracking of unrestrained small animals in positron emission tomography

Motion-compensated radiotracer imaging of fully conscious rodents represents an important paradigm shift for preclinical investigations. In such studies, if motion tracking is performed through a transparent enclosure containing the awake animal, light refraction at the interface will introduce errors in stereo pose estimation. We have performed a thorough investigation of how this impacts the accuracy of pose estimates and the resulting motion correction, and developed an efficient method to predict and correct for refraction-based error. The refraction model underlying this study was validated using a state-of-the-art motion tracking system. Refraction-based error was shown to be dependent on tracking marker size, working distance, and interface thickness and tilt. Correcting for refraction error improved the spatial resolution and quantitative accuracy of motion-corrected positron emission tomography images. Since the methods are general, they may also be useful in other contexts where data are corrupted by refraction effects.12 page(s

Aeronautical engineering: A cumulative index to a continuing bibliography (supplement 235)

This publication is a cummulative index to the abstracts contained in Supplements 223 through 234 of Aeronautical Engineering: A Continuing Bibliography. The bibliographic series is compiled through the cooperative efforts of the American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) and the National Aeronautics and Space Administration (NASA). Seven indexes are included -- subject, personal author, corporate source, foreign technology, contract number, report number and accession number

Reports to the President

A compilation of annual reports for the 1988-1989 academic year, including a report from the President of the Massachusetts Institute of Technology, as well as reports from the academic and administrative units of the Institute. The reports outline the year's goals, accomplishments, honors and awards, and future plans

Medical-Data-Models.org:A collection of freely available forms (September 2016)

MDM-Portal (Medical Data-Models) is a meta-data repository for creating, analysing, sharing and reusing medical forms, developed by the Institute of Medical Informatics, University of Muenster in Germany. Electronic forms for documentation of patient data are an integral part within the workflow of physicians. A huge amount of data is collected either through routine documentation forms (EHRs) for electronic health records or as case report forms (CRFs) for clinical trials. This raises major scientific challenges for health care, since different health information systems are not necessarily compatible with each other and thus information exchange of structured data is hampered. Software vendors provide a variety of individual documentation forms according to their standard contracts, which function as isolated applications. Furthermore, free availability of those forms is rarely the case. Currently less than 5 % of medical forms are freely accessible. Based on this lack of transparency harmonization of data models in health care is extremely cumbersome, thus work and know-how of completed clinical trials and routine documentation in hospitals are hard to be re-used. The MDM-Portal serves as an infrastructure for academic (non-commercial) medical research to contribute a solution to this problem. It already contains more than 4,000 system-independent forms (CDISC ODM Format, www.cdisc.org, Operational Data Model) with more than 380,000 dataelements. This enables researchers to view, discuss, download and export forms in most common technical formats such as PDF, CSV, Excel, SQL, SPSS, R, etc. A growing user community will lead to a growing database of medical forms. In this matter, we would like to encourage all medical researchers to register and add forms and discuss existing forms