Modellbasierte Korrektur der Streustrahlung in der Positronen-Emissions-Tomographie

In der Positronenemissionstomographie (PET) hat sich durch den Wegfall abschirmender Septen beim Übergang von 2D zu 3D Messungen das Problem des Streuanteils in den gemessenen Projektionen deutlich verschärft. Gewöhnlich wird der Streuanteil unter Verwendung eines Streumodells geschätzt und zur Korrektur von den Rohdaten subtrahiert. Dabei tritt das prinzipielle Problem auf, dass der Streuanteil bereits in den Emissionsdaten enthalten ist, die zur Schätzung der gestreuten Ereignisse herangezogen werden. Zur Lösung dieses Problems bietet sich die Einbindung der Streukorrektur in die iterative Bildrekonstruktion an. Zur Streukorrektur wird das Modell der Daten von der einfachen Vorwärtsprojektion um eine zusätzliche Streusimulation erweitert. Dadurch ird auf natürliche Weise der Abbildungsvorgang im Tomographen simuliert und eine selbstkonsistente Berechnung des Streuanteils erreicht. Für die Streusimulation verwenden wir eine rechenzeitoptimierte Implementierung des Single Scatter Simulation (SSS-) Algorithmus. Die Methode wurde mit Hilfe von Phantom-Messungen an einem modernen 3D-PET-Scanner validiert. Die Resultate zeigen, dass durch diesen Ansatz eine exaktere Schätzung des Streuanteils möglich ist als mit dem herkömmlichen Verfahren (einmalige Korrektur vor der Rekonstruktion). Darüber hinaus ermöglicht die Reduzierung der Rechenzeit die Anwendung der Streukorrektur auf gewöhnlichen Arbeitsplatzrechnern

Visualisierung und Quantifizierung der Fluiddynamik in Bohrkernen aus dem Salinar und Deckgebirge des Raumes Staßfurt mittels Positronen-Emissions-Tomographie

Der ehemalige Salzbergbau im Raum Staßfurt führt seit dem 19. Jahrhundert zu Subrosion und teils bruchhaften Deformationen und damit verbundenen Senkungen und Vernässungen im Stadtgebiet. Im Rahmen eines Forschungsverbundvorhabens unter Federführung der BGR sollen in dieser Arbeit die grundlegenden strömungsdynamischen Prozesse im Salinar und Deckgebirge der betroffenen geologischen Formationen aufgeklärt werden. An Bohrkernen aus den entsprechenden Bereichen werden Durchflussexperimente durchgeführt und die Fluiddynamik im Inneren der Proben mittels Positronen-Emissions-Tomographie dreidimensional dargestellt. In Kooperation mit der Bundesanstalt für Materialforschung- und prüfung Berlin und dem Geologischen Institut der Johannes-Gutenberg Universität Mainz werden diese PET-Messungen der Fluiddynamik mit hochauflösenden computertomographischen Messungen der internen Struktur der Proben in Übereinstimmung gebracht. Die beobachteten Fließmuster sollen mittels einer Lattice-Boltzmann-Simulation nachvollzogen und dadurch das grundlegende Verständnis der Strömungsdynamik in diesen Gesteinen erweitert werden. Langfristig soll dies zu einer Verbesserung des Verständnisses der Grundwasserdynamik auf regionaler Ebene führen.:1 Einleitung 1 1.1 Die Stadt Staßfurt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Bildgebende tomographische Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.4 Die PET in den Geowissenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.5 Ziel der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 Geologische Übersicht 9 2.1 Allgemein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.1 Das Zechsteinmeer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.2 Das Subherzyne Becken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.3 Der Staßfurt-Egelner Salzsattel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2 Stratigraphie und Hydrologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.1 Stratigraphische Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.2 Anstehende Wässer und deren Migration . . . . . . . . . . . . . . . 15 3 Die Positronen-Emissions-Tomographie 19 3.1 Entstehung des Bildes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2 Die Auflösung des Bildes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2.1 Die Grenzen der Ortsauflösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2.2 Messfehler und Bildrekonstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2.3 Konsequenzen für die Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4 Material und Methoden 27 4.1 Die Bohrkerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.2 Die Injektionslösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.3 Probenvorbereitung und Experimentverlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.4 Auswertemethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.4.1 Visualisierung und Datenverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.4.2 Bestimmung hydrodynamischer Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . 34 4.4.3 Variographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 5 Ergebnisse 47 5.1 Chemische Analysen der Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 5.2 PET- und CT-Daten und resultierende Durchbruchkurven . . . . . . . . . . 50 5.2.1 Hauptanhydrit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.2.2 Unterer Buntsandstein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.2.3 Mechanisch belastetes Steinsalz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.2.4 Hohlraumversatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.3 Ermittlung raumbezogener Parameter in der Literatur und mit den vorhandenen Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.4 Variographischer Abgleich verschiedener Datensätze . . . . . . . . . . . . . 72 5.4.1 Aussagekraft von Variogrammen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 i 5.4.2 Vergleich von Messung und Modellierung mittels 3D-Variographie . 79 6 Diskussion 93 6.1 Diskussion der PET-Daten und Durchbruchkurven . . . . . . . . . . . . . . 93 6.2 Diskussion der Ermittlung raumbezonener Parameter . . . . . . . . . . . . . 100 6.3 Diskussion des variographischen Abgleichs verschiedener Datensätze . . . . 101 6.4 Auswirkungen auf das hydrologische Modell Staßfurts . . . . . . . . . . . . 102 7 Ausblick 105 Literatur 109 Anhang xi A Bohrpunkte und Lösungen xiii B 3D-Variographie des mechanisch belasteten Salzkerns xv C Hydrodynamische Parameter xvii C.1 Bohrkern aus der Leine Formation z3A3 - Hauptanhydrit . . . . . . . . . . xvii C.2 Bohrkern aus dem Unteren Buntsandstein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviii C.3 Mechanisch belasteter Bohrkern aus dem z2Na Staßfurt-Steinsalz . . . . . . xix C.4 Bohrkern aus dem Hohlraumversatz des Grubenbaus Leopoldshall I /II . . . xx C.5 Probe aus gepresstem Kaolinit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi D Quelltext wichtiger Funktionen xxiii D.1 Datenreduktion - Ausschneiden des Bohrkerns . . . . . . . . . . . . . . . . . xxiv D.2 Vergröberung der Auflösung eines PET-Bildes . . . . . . . . . . . . . . . . . xxiv D.3 Verteilung der Maximalwerte und deren Histogramme . . . . . . . . . . . . xxv D.4 Empirische Variogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxv D.5 Richtungsabhängige Variogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxvi D.6 Dreidimensionale Variogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxix D.7 Ebenenweise Variogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxxi E Liste der Kooperationspartner xxxii

Abgrenzbarkeit von mediastinalen und hilären Lymphknoten in der kontrastverstärkten Niedrigdosis-Computertomographie des Thorax

Mueller-Lisse, U.G., Marwitz, L., Tufman, A. et al.: Less radiation, same quality: contrast-enhanced multi-detector computed tomography investigation of thoracic lymph nodes with one milli-sievert. Radiol med 123, 818–826 (2018) Purpose: Mediastinal, hilar, and peripheral pulmonary lymphadenopathy is a hallmark sign of different benign and malignant diseases of the chest. Contrast-enhanced (CE) chest CT is a test frequently applied to examine thoracic lymph node zones. We attempted to find out whether mediastinal, hilar, and peripheral lymph nodes delineate equally in CE chest CT with reduced dose (CE-LDCT, about 1 mSv) when compared with accepted standard CE chest CT (CE-SDCT). Materials and methods: In this ethics committee-approved, mono-institutional, retrospective (20 months) matched case–control study, two independent, blinded observers compared measurable lymph node delineation (yes–no) in six different International Association for the Study of Lung Cancer (IASLC) zones (upper mediastinal, aortopulmonary, subcarinal, lower mediastinal, hilar, peripheral) between 62 CE-LDCT cases and 124 CE-SDCT controls (respective tube charge, 100, 120 KVp, computed tomography dose index, 1.66 ± 0.51, 5.36 ± 2.24 mGy, automatic exposure control-modulated 64-row multi-detector chest CT with iterative image reconstruction). Individual matching for gender (53% female), age (53 ± 19 years), body height, weight, anterior–posterior and transverse diameters of chest and lung ruled out pre-test confounders. Lymph node size (cut-off value, 1 cm) was a potential post-test confounder. Two-tailed T test and Chi-square test were significant for p < 0.05. Results: Measurable lymph nodes delineated equally in cases (261/372 IASLC zones, 70%; 280/372, 75%) and controls (528/744, 71%; 519/744, 70%; no significant differences, power 90%). One observer delineated significantly more peripheral zone lymph nodes in cases (35/62) than in controls (43/124); there were no significant differences otherwise. Lymph node size did not differ significantly; effective dose was 1.0 ± 0.3 mSv in cases and 3.4 ± 1.5 mSv in controls. Conclusion: CE-LDCT with about 1 mSv demonstrated equal delineation of thoracic lymph nodes when compared with accepted standard CE-SDCT

Evaluation von mediastinalen und hilären Lymphknoten mit der Multidetektor-Spiral-CT

Computertomographische Untersuchungsmethoden, die Magnetresonanztomographie und die Positronen-Emissionstomographie ( = CT, MRT, PET) sind heute, neben der Ultraschalltechnik, die wichtigsten nicht-invasiven bildgebenden Verfahren, die der medizinischen Diagnostik zur Verfügung stehen. Es handelt sich bei allen CT-Verfahren im Grunde um sog. Schnittbildverfahren, die zum Aufbau von für den Untersucher diagnostisch verwertbaren Bildern, einen Computer bzw. zusätzlich noch nuklearmedizinische Methoden verwenden, um pathologische Morphologien und Funktionen zu detektieren. Dabei kann bei der CT und der MRT durch die Applikation geeigneter Kontrastmittel der Informationswert in vielen Fällen noch gesteigert werden. Für den Patienten besteht jedoch bei einer CT- oder PET-Untersuchung ein gravierender Nachteil: die damit verbundene Strahlenbelastung. Deshalb werden erhebliche Anstrengungen unternommen, um durch eine Verbesserung der Methodik insbesondere zwei Ziele zu erreichen: einerseits eine Verringerung der Strahlenbelastung des Patienten, andererseits Verbesserung bei der Auflösung im Rahmen der Darstellung feingeweblicher Strukturen. Eine solche Verbesserung der Auflösung, die zu einer Verbesserung der diagnostischen Aussage beitragen kann, hat für den Patienten enorme, insbesondere therapeutische Konsequenzen, z. B. im Rahmen des Staging, bei Verdacht auf das Vorliegen einer malignen Erkrankung. In der vorliegenden Arbeit sollte deshalb untersucht werden, ob geeignete Möglichkeiten bestehen, ohne den Wert der Diagnose an sich zu schmälern, durch die Verwendung primär dickerer Schichten im Rahmen einer Spiral-CT-Untersuchung die Sensitivität bei der Untersuchung feingeweblicher Strukturen zu behalten und dadurch die Strahlenbelastung für den Patienten, sowie den zeitlichen Aufwand bei der Interpretation der Ergebnisse für den Untersucher zu verringern. Diese Untersuchungen wurden an Lymphknoten bei Spiral-CT-Aufnahmen des Thorax durchgeführt. Diesen Lymphknoten wird enorme Bedeutung im Rahmen des Staging maligner Erkrankungen, vor allem beim Staging des Bronchial-Karzinoms, aber auch der anderen Malignome des Brust- und Bauchraums, sowie deren Metastasen, zugeschrieben, insbesondere bei der Erfassung des für die Wahl der Therapie so wichtigen N0-Stadiums. In die Studie wurde ein Kollektiv von 97 Patienten (59 Männer, 38 Frauen; Altersverteilung von 9 bis 88 Jahren) aufgenommen und nach den vorliegenden Verdachtsdiagnosen in Gruppen mit malignen bzw. nicht-malignen Erkrankungen eingeteilt. Dabei wurde ihnen eine kontrastmittelunterstützte Multidetektor-Spiral-CT-Untersuchungen des Thorax durchgeführt, wobei die Untersuchungen klinisch indiziert wurden. Bei den Patienten mit malignen Erkrankungen wurden 4 Gruppen gebildet, jeweils mit abnehmender Häufigkeit (Lymphome/Leukämien, Bronchial-Karzinom, Mamma-Karzinom, sonstige Krebserkrankungen). Bei den „benignen“ Krankheitsbildern dominierten als Ursache Infektionen, sonstige externe Noxen und Krankheiten, bei denen ein allergen-bedingtes Grundleiden überwiegte. Fünf Schichtdicken, mit 1 mm, 3 mm, 5 mm, 10 mm und 20 mm, wurden evaluiert und miteinander verglichen. Als nominale Schichtdicke wurde die Schichtdicke mit 1 mm gewählt und die restlichen aus dieser rekonstruiert. Das Ergebnis dieser Studie ergab, dass es völlig ausreichend ist, eine 3 mm-Schichtdicke zu verwenden, was statistisch gesichert werden konnte. Die Statistik hat nämlich gezeigt, dass in Bezug auf die Beurteilung von mediastinalen Lymphknoten, was ihre Anzahl und Größe angeht, kein signifikanter Unterschied zwischen den Schichtdicken mit 1 mm und mit 3 mm besteht. Bei diesen Schichtdicken war auch der diagnostische Aussagewert bei der Bewertung des N0-Stadiums am größten (d. h. Lymphknotengröße < 1 cm). Im Gegensatz dazu zeigten die übrigen evaluierten Schichtdicken (5 mm, 10 mm und 20 mm) einen deutlichen Signifikanzunterschied untereinander und jeweils zu den Schichtdicken 1 mm und 3 mm

Klinischer Stellenwert der Myokardperfusionsszintigraphie und der First-Pass Radionuklidventrikulographie für die Diagnostik der Transplantatvaskulopathie bei Patienten nach orthotoper Herztransplantation

Das Langzeitüberleben für Patienten nach Herztransplantation wird wesentlich durch die sogenannte Transplantatvaskulopathie (TVP) limitiert. Die Pathogenese dieser oftmals rapide fortschreitenden Gefäßerkrankung ist multifaktoriell, neben klassischen Risikofaktoren der koronaren Herzerkrankung (KHE) sind insbesondere immunologische Faktoren ausschlaggebend. Die Diagnostik der TVP gestaltet sich insofern schwierig, als die Patienten wegen der Denervierung des Herzens im Rahmen des chirurgischen Eingriffes meist keine typischen pektanginösen Beschwerden als Vorboten kardialer Ereignisse verspüren. Erstmanifestationen der Erkrankung sind oft fatal und zeigen sich als kardiale Dekompensation, Myokardinfarkt oder gar als plötzlicher Herztod. Da mit der perkutanen transluminalen Koronarangioplastie, der koronaren Bypass-OP oder der Retransplantation therapeutische Optionen vorhanden sind, ist die Diagnostik der TVP genauso unverzichtbarer Bestandteil in der Nachsorge herztransplantierter Patienten wie die Risikoabschätzung für betroffene Patienten, kardiale Ereignisse zu entwickeln. Als unverzichtbarer diagnostischer Standard wird in vielen Zentren die jährlich oder halbjährlich durchgeführte selektive Koronarangiographie angesehen. In den letzten Jahren wurden jedoch mehr und mehr nicht-invasive Methoden wie Dobutaminstreßechokardiographie, Myokard-Perfusions-Szintigraphie (MPS) oder First-Pass Radionuklidventrikulographie (FP-RNV) in den TVP-Screeningalgorythmus integriert. Studien, die bisher den Stellenwert der MPS in der Nachsorge herztransplantierter Patienten untersucht haben, taten dies, indem sie die MPS mit der Koronarangiographie verglichen, was als zumindest problematisch anzusehen ist, wenn man bedenkt, daß dieses invasive Verfahren selbst Limitationen insbesondere in der Diagnostik komplexer mikroangiopathischer und intramuraler Gefäßveränderungen, die das Krankheitsbild der TVP hervorrufen kann, aufweist. Unbefriedigende Ergebnisse für die diagnostische Treffischerheit der MPS waren die Folge, weitere Gründe für das schlechte Abschneiden der MPS in der TVP-Diagnostik waren in den variablen Studienprotokollen dieser Arbeiten zu finden. Die Art der Myokardbelastung, ein entscheidender methodischer Faktor um eine hämodynamisch relevante Koronarstenose mit der MPS identifizieren zu können, oder die Wahl des Radiopharmakons sind als suboptimal einzustufen, neuere technische Möglichkeiten wie die patientenspezifische Schwächungskorrektur wurden nicht zur Beurteilung der Myokardszintigramme herangezogen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Myokard-Perfusions-SPECT und First-Pass Radionuklidventrikulographie einerseits mit den Ergebnissen der Koronarangiographie zu vergleichen, andererseits deren Potenz in der Prädiktion kardialer Ereignisse während eines typischen Nachsorgeintervalls von 12 Monaten zu testen. Dafür stand ein Patientenkollektiv zur Verfügung, das sich aus 77 Patienten (60 Männer und 17 Frauen), zum Zeitpunkt der Untersuchung im Mittel 53 ± 11,4 Jahre alt, zusammensetzte. Der Untersuchungszeitpunkt betrug durchschnittlich 7,4 ± 3,5 Jahre nach HTX, im Beobachtungszeitraum von 34 Monaten traten insgesamt 16 kardiale Ereignisse, definiert als Tod kardialer Ursache, Myokardinfarkt, kardiale Dekompensation und Intervention, bei 10 Patienten auf. Die Myokard-Perfusions-Szintigraphie mit Dobutamin als Belastungsagens zeigte bei rein visueller Auswertung im Hinblick auf das Eintreten eines kardialen Ereignisses eine Sensitivität von 90% und einen negativ prädiktiven Wert von 98%. Unter Zuhilfenahme semiquantitativ-visueller Parameter konnte bei gleicher Sensitivität die Spezifität von 72% auf 84% gesteigert werden. Hier erwies sich der sogenannte Summed Stress Score (SSS), welcher die Schwere und das Ausmaß von Perfusionsdefekten der einzelnen Myokardsegmente unter Belastung repräsentiert, in der ROC-Analyse als besonders nützlich. Als geeigneter Schwellenwert zur Selektion von Patienten, die gefährdet waren, in den folgenden 12 Monaten ein kardiales Ereignis zu entwickeln, konnte mittels ROC-Analyse ein SSS ≥ 4 ermittelt werden. Dieser Wert liegt in der gleichen Größenordnung wie der von Hachamovitch et al. an einem großen Kollektiv von KHE-Patienten bestimmten SSS ≥ 5. Eine Korrelation von patientenspezifischen Parametern wie Alter der Patienten und Zeitpunkt nach Herztransplantation wurde nicht gefunden, wohl aber signifikant höhere SSS-Werte bei weiblichen im Vergleich zu männlichen Patienten (p=0,03). Weitere untersuchte Parameter wie Summed Rest Score oder Summed Difference Score erbrachten keinen diagnostischen Zugewinn. Sowohl die qualitative als auch die semiquantitativ-visuelle Auswertemethode zeigten eine geringe Interobserver-Variabilität mit Kappawerten von 0,66 respektive 0,74, so daß man von gut reproduzierbaren Ergebnissen auch verschiedener Befunder ausgehen kann. Der Vergleich der Myokard-Perfusions-Szintigraphie mit den Ergebnissen der Koronarangiographie in der Detektion von epikardialen Gefäßstenosen erbrachte für Koronarstenosen ≥ 50% eine Sensitivität von 82% und eine Spezifität von 87%, für Koronarstenosen ≥ 75% eine Sensitivität von 100% bei einer Spezifität von 78%. Neben der Myokardperfusion ließ sich auch die linksventrikuläre Ejektionsfraktion (LVEF), in der vorliegenden Arbeit bestimmt durch die First-Pass Radionuklidventrikulographie, für wichtige prognostische Aussagen hinsichtlich des Auftretens kardialer Ereignisse heranziehen. Die Ergebnisse von 60 First-Pass Radionuklidventrikulographien – eine Untersuchung pro Patient – wurden mit den Ergebnissen der Koronarangiographie verglichen und mit den kardialen Ereignissen (bei den 60 Patienten, die diese Untersuchung erhielten, waren es nur vier) korreliert. Dabei zeigte sich sowohl die Belastungs- als auch die Ruhe-Untersuchung bei einem Schwellenwert für die LVEF von 55% mit jeweils 100% sehr sensitiv, eine höhere Spezifität erreichte mit 93% jedoch die Belastungsuntersuchung gegenüber der Ruhestudie mit 82%. Die geringe Zahl an kardialen Ereignissen kann jedoch lediglich Trends und keine statistisch validen Aussagen liefern. Auch im Vergleich der First-Pass Radionuklidventrikulographie mit der Koronarangiographie konnten sowohl für Koronarstenosen ≥ 50% als auch ≥ 75% Maximalwerte für Belastungs- und Ruhe-LVEF von 100% für die Sensitivität des Verfahrens gefunden werden. Die Spezifitäten ergaben bei Belastung Werte von 63% und 56% in Ruhe sowie von 88% und 78% bei Belastung. Aufgrund der besseren Spezifität sollte daher der Bestimmung der LVEF unter Belastungsbedingungen der Vorzug gegeben werden. Im Rahmen dieser Studie wurde auch die Koronarangiographie auf ihr Potential bezüglich der Prädiktion kardialer Ereignisse geprüft und erzielte bei einem Schwellenwert für Koronarstenosen ≥ 50% mit MPS und FP-RNV vergleichbare Werte, 90% für die Sensitivität, 98% für die Spezifität sowie 98% für den negativ prädiktiven Wert. Sowohl Myokard-Perfusions-Szintigraphie als auch First-Pass Radionuklidventrikulographie erwiesen sich in der vorliegenden Arbeit als geeignete Screeningverfahren, um kardiale Komplikationen im Rahmen der TVP durch präventiv-therapeutische Eingriffe zu vermeiden. Semiquantitativ-visuelle Auswertemethoden zeigen sich gegenüber der qualitativen Diagnostik bei gleicher Sensitivität spezifischer, optional könnten semiquantitative, computergestützte Auswertealgorhythmen in Zukunft für eine weitere Verbesserung der Ergebnisse hilfreich sein. Dobutamin als Agens für die Myokard-belastung scheint bei herztransplantierten Patienten der ergometrischen oder anderen medikamentösen Belastungsformen überlegen zu sein und zeigte eine geringe Komplikationsrate. Für die Zukunft müssen Nachsorgeschemata herztransplantierter Patienten gefunden werden, die zum einen ein hohes Maß an prognostischer Sicherheit liefern, zum anderen aber auch – ohne Einbuße an Qualität – als kostengünstig und wenig invasiv anzusehen sind. Die Koronarangiographie und damit auch der intravaskuläre Ultraschall zeigen sich hier aufgrund ihrer Invasivität und ihres begrenzt möglichen Einsatzes bei den oftmals niereninsuffizienten herztransplantierten Patienten nachteilig gegenüber nicht-invasiven Verfahren wie Myokard-Perfusions-Szintigraphie, First-Pass Radionuklidventrikulographie oder Dobutamin-Stressechokardiographie. Ob moderne Untersuchungsverfahren wie die EKG-getriggerte Myokard-SPECT, welche sowohl Aussagen über die Myokardperfusion als auch zu LVEF und Wandbewegung des linken Ventrikels liefern kann, oder die funktionelle Kernspintomographie einen Beitrag leisten können, wird sich in den nächsten Jehren erweisen. Welches Nachsorgekonzept an den einzelnen Transplantationszentren letztlich angewandt wird, ist von der jeweiligen Verfügbarkeit der Methoden abhängig. Die prognostische Wertigkeit gerade auch der nicht-invasiven Verfahren sollte jedoch in künftige Überlegungen einfließen, um den herztransplantierten Patienten ein sicheres Nachsorgekonzept bei möglichst hoher Lebensqualität bieten zu können

Vergleich der dynamischen MR-Mammographie mit der Sestamibi-Mammaszintigraphie bei mammographisch unklaren Mammaläsionen

Einleitung: Die Diagnostik von Mammakarzinomen stellt hohe Anforderungen an bildgebende Verfahren. Für Problemfälle mit klinisch oder mammographisch unklaren Befunden steht die dynamische Magnetresonanztomographie (MRT) der Brust als zusätzliches bildgebendes Verfahren zur Verfügung. Es kann besonders dann eingesetzt werden, wenn Biopsieverfahren nur erschwert anwendbar sind, wie z.B. bei postoperativem Narbengewebe, dichter Brust oder ungünstiger Lokalisation des Herdes. Als weiteres Verfahren zur spezifischen Darstellung von Mammakarzinomen wurde die Tc-99m-Sestamibi-Szintigraphie vorgeschlagen. Ziel: Ziel der vorliegenden Arbeit war es, im Rahmen einer prospektiven Studie die Aussagekraft der Mammaszintigraphie und der dynamischen MRT in der Differentialdiagnostik mammographisch unklarer Herde zu vergleichen. In einem methodischen Ansatz sollten zusätzlich die Auswertetechniken der dynamischen MRT erweitert werden. Hierzu sollte ein computergestütztes Verfahren entwickelt und erprobt werden, das basierend auf künstlichen Neuronalen Netzen eine Subdifferenzierung der Kontrastmittelkurven innerhalb eines Herdes erlaubte. Patienten und Methode: Es wurden 40 Patientinnen konsekutiv in die Studie eingeschlossen, die sowohl eine Szintigraphie als auch eine MRT der Brust erhielten. Die Befunde wurden histologisch gesichert oder durch Nachuntersuchungen über mehr als 24 Monate als benigne verifiziert. Neben den 40 primär zur Abklärung führenden Herden wurden 8 Zusatzherde mit Kontrastmittelaufnahme in der MRT entdeckt. Ingesamt wurden 10 invasive Karzinome und 5 DCIS gesichert. Die Szintigraphie erfolgte in Bauchlage der Patientin an einer 3-Kopf-Gammakamera (Prism3000, Picker) in planarer und in SPECT-Technik. Nach intravenöser Injektion von ca. 740 MBq Tc-99m-Sestamibi wurden Früh- und Spätaufnahmen akquiriert. Die Rekonstruktion der SPECT-Aufnahmen erfolgte mit einem iterativen Algorithmus. Alle fokal anreichernden Herdebefunde mit einem Target- zu non-Target-Verhältnis von > 1,3 wurden als maligomverdächtig gewertet. Die dynamische MRT wurde an einem 1,5 Tesla Tomographen (Magnetom Vision, Siemens) durchgeführt. Die Messungen erfolgten in Bauchlage mit einer dedizierten Oberflächenspule zur simultanen Untersuchung beider Brüste. Zur Akquisition der Kontrastmitteldynamik wurde eine T1-gewichtete 3DFLASH-Sequenz verwendet. Zur konventionellen Auswertung wurde eine Subtraktionsaufnahme berechnet und interaktiv eine Region of Interest um KM-aufnehmende Herdbefunde gelegt. Die resultierenden Kurven der Kontrastmitteldynamik wurden nach ihrer Kurvenform in Anlehnung an Kuhl et al. klassifiziert. In einem weiteren Auswerteschritt wurden auch morphologische Kriterien einbezogen und ein Punktescore nach Fischer gebildet. Schließlich erfolgte die halbautomatische Segmentierung aller Herde, die mehr als 50% KM aufnahmen. Die Signalintensitätszeitreihen aller Voxel dieser Herde wurden einer Subdifferenzierung durch Vektorquantisierung unterworfen. Dieses Verfahren basiert auf dem Algorithmus der Minimal Free Energy Vektorquantisierung, wurde in der Bildverarbeitungsgruppe des Instituts für Klinische Radiologie der LMU entwickelt und für die Anwendung bei der dynamischen MRT der Brust adaptiert. Als Ergebnis der Vektorquantisierung resultierten 4 prototypische Zeitreihen, sog. Codebuchvektoren, die jeweils repräsentativ für Voxelgruppen mit ähnlichen Signalverläufen waren. Anhand dieser Codebuchvektoren erfolgte erneut eine Klassifizierung der Herdbefunde. Ergebnisse: Im Vergleich der verschiedenen Auswertemethoden der dynamischen MRT war die Sensitivität bei der Detektion von Mammakarzinomen bei der konventionellen Auswertung anhand des Kurventyps bei 67% und stieg unter Einbeziehung der Herdmorphologie auf 87%. Mittels Vektorquantisierung stieg die Sensitivität auf 73% bzw. 93%. Die Spezifität unterlag jedoch Einschränkungen und erreichte bei der konventionellen Auswertung unter Einbeziehung der Morphologie 85%, bei der Vektorquantisierung 76%. Die Szintigraphie erwies sich als hochspezifisches Verfahren (100%). Die Sensitivität bei der Detektion kleiner Karzinome war jedoch selbst bei Anwendung der SPECT-Technik unzureichend (56%). Schlussfolgerungen: Die dynamische kontrastmittelverstärkte MRT der Brust wies eine höhere Sensitivität bei der Detektion kleiner Mammakarzinome im Vergleich zur Szintigraphie auf. Bei hoher Spezifität der Mammaszintigraphie zeigte sich, dass die Sensitivität v.a. bei kleineren Karzinomen in unserem selektierten Patientengut zu niedrig war. Als Schlussfolgerung unserer Studienergebnisse und in Zusammenschau mit der derzeitigen Literatur zu diesem Thema erscheint die MRT-Bildgebung zur Einschätzung der Dignität mammographisch unklarer Läsionen in ausgewählten Problemfällen überlegen. Um die Aussagekraft der dynamischen MRT weiter zu verbessern, wurden verschiedene Auswerteverfahren getestet. Unter Einbeziehung morphologischer und dynamischer Kriterien wurde die höchste Aussagekraft erreicht. Das computergestützte Auswerteverfahren unter Verwendung der Vektorquantisierung, erwies sich als weitgehend auswerterunabhängige Methode mit vergleichbarer Aussagekraft zur Dignitätsbeurteilung. Dabei war die Tendenz erkennbar, dass maligne Läsionen mit höherer Sicherheit identifiziert werden konnten. Ein derartiges Auswerteverfahren wäre als Grundlage für eine computerunterstützte Diagnostik (CAD) vorstellbar

Study of generalized radon transforms and applications in compton scattering tomography

This thesis is concerned with the study of new modalities of Compton scattering tomography which are a relevant alternative with current imaging techniques. Such a study requires powerful mathematical tools. Then I, first, extended the known properties of the classical Radon transform to larger manifolds of curves. In particular, I established the analytical inversion formulas for solving the associated image reconstruction problem. Due to these inversion properties and a numerical study of involved processes, the theoretical feasibility of the proposed modalities in Compton scattering tomography could be established. In a second time, I established an iterative algorithm to correct the attenuation factor in the studied modalities (GIPC). Finally, I proposed the first bimodality based on the scattered radiation. This new system, akin to the SPECT-CT scan, combines two modalities of Compton scattering tomography. The simulation results show the interest of such a future system.Diese Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung neuer Modelle in der Compton - Streutomographie, die eine relevante Alternative oder Ergänzung aktueller bildgebender Verfahren darstellen. Da eine mathematische Untersuchung dafür benötigt ist, habe ich zuerst die Eigenschaften der Radontransformation auf eine größere Familie von Kurven erweitert. Insbesondere habe ich die analytischen Umkehrformeln zur Bildrekonstruktion etabliert. Dank dieser Inversionseigenschaften und der numerischen Untersuchung der beteiligten Prozessen, hat die theoretische Machbarkeit der Compton-Streutomographie Modelle bewiesen. Dann habe ich einen iterativen Algorithmus (GIPC) hergeleitet, um den Dämpfungsfaktor in den Modalitäten zu korrigieren. Schließlich habe ich die erste Bimodalität auf der Grundlage der Streustrahlung aufgestellt. Dieses neue System kombiniert zwei Methoden der Compton-Streutomographie ähnlich des SPECT-CT Bilder. Die Simulationsergebnisse zeigen dass in Zukunft großes Interesse an einen solchen System existiert

Integration der Positronen-Emissions-Tomographie in die Strahlentherapie mit hochenergetischen Photonen

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Semi-quantitative röntgentomographische Untersuchungen zur Biodistribution von magnetischen Nanopartikeln in biologischem Gewebe

Im Rahmen der vorliegenden Dissertationsschrift „Semi-quantitative röntgentomographische Untersuchungen zur Biodistribution von magnetischen Nanopartikeln in biologischem Gewebe“ wurden tomographische Untersuchungen an biologischen Objekten durchgeführt. Bei diesen Objekten handelt es sich um Gewebeproben nach minimal-invasiven Krebstherapien wie zum Beispiel magnetischem Drug Targeting und magnetischer Wärmebehandlung. Der Erfolg dieser Therapien ist sowohl abhängig von der korrekten Verteilung der magnetischen Nanopartikel als auch von der Tatsache, dass diese in der Zielregion in einer ausreichenden Menge vorhanden sind. Das Vorliegen dieser beiden Voraussetzungen ist in der vorliegenden Arbeit untersucht worden. Dabei lag der Schwerpunkt der Arbeit auf der Quantifizierung von magnetischem Material in unterschiedlichen biologischen Gewebeproben mittels Röntgenmikrocomputertomographie (XµCT). Für diesen Zweck wurde ein Kalibrationssystem mit speziellen Phantomen entwickelt, mit dessen Hilfe eine Nanopartikelkonzentration einem Grauwert voxelweise zugewiesen werden kann. Mit Hilfe der Kalibration kann der Nanopartikelgehalt sowohl in monochromatischen als auch in polychromatischen tomographischen Daten im Vergleich zu magnetorelaxometrischen Ergebnissen mit wenigen Prozent Abweichung ermittelt werden. Trotz Polychromasie und damit einhergehenden Artefakten können 3-dimensionale röntgentomographische Datensätze mit einer geringfügigen Konzentrationsabweichung im Vergleich zur quantitativen Messmethode Magnetorelaxometrie semi-quantitativ ausgewertet werden.The success of the minimal invasive cancer therapies, called magnetic drug targeting and magnetic heating treatment, depends strongly on the correct distribution of the magnetic nanoparticles on one side. On the other side it depends on the fact that a sufficient amount of magnetic nanoparticles carrying drugs is accumulated in the target region. To study whether these two requirements are fulfilled motivates this PhD thesis „Semi-quantitative X-ray-tomography examinations of biodistribution of magnetic nanoparticles in biological tissues“. The analysis of the distribution of the magnetic nanoparticles in tumours and other tissue examples is realized by means of X-ray-micro computer tomography (XμCT). The work focuses on the quantification of the magnetic nanoparticles in different biological tissue samples by means of XµCT. A calibration of the tomographic devices with adequate phantoms, developed in the frame of this work, opens now the possibility to analyze tomographic data in a semi-quantitative manner. Thus, the nanoparticle concentration can be allocated voxel-wise to the grey values of the three-dimensional tomographic data. With the help of calibration of the tomography equipments used, polychromatic as well as monochromatic three-dimensional representations of objects can be analyzed with regard to the biodistribution of magnetic nanoparticles as well as with regard to their quantity. The semi-quantitative results have been compared with results obtained with a quantitative measurement method magnetorelaxometry (MRX). Thereby a good agreement of the semi-quantitative and quantitative data has been figured out