Development of methods for time efficient scatter correction and improved attenuation correction in time-of-flight PET/MR

In der vorliegenden Dissertation wurden zwei fortdauernde Probleme der Bildrekonstruktion in der time-of-flight (TOF) PET bearbeitet: Beschleunigung der TOF-Streukorrektur sowie Verbesserung der emissionsbasierten Schwächungskorrektur. Aufgrund der fehlenden Möglichkeit, die Photonenabschwächung direkt zu messen, ist eine Verbesserung der Schwächungskorrektur durch eine gemeinsame Rekonstruktion der Aktivitäts- und Schwächungskoeffizienten-Verteilung mittels der MLAA-Methode von besonderer Bedeutung für die PET/MRT, während eine Beschleunigung der TOF-Streukorrektur gleichermaßen auch für TOF-fähige PET/CT-Systeme relevant ist. Für das Erreichen dieser Ziele wurde in einem ersten Schritt die hochauflösende PET-Bildrekonstruktion THOR, die bereits zuvor in unserer Gruppe entwickelt wurde, angepasst, um die TOF-Information nutzen zu können, welche von allen modernen PET-Systemen zur Verfügung gestellt wird. Die Nutzung der TOF-Information in der Bildrekonstruktion führt zu reduziertem Bildrauschen und zu einer verbesserten Konvergenzgeschwindigkeit. Basierend auf diesen Anpassungen werden in der vorliegenden Arbeit neue Entwicklungen für eine Verbesserung der TOF-Streukorrektur und der MLAA-Rekonstruktion beschrieben. Es werden sodann Ergebnisse vorgestellt, welche mit den neuen Algorithmen am Philips Ingenuity PET/MRT-Gerät erzielt wurden, das gemeinsam vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und dem Universitätsklinikum betrieben wird. Eine wesentliche Voraussetzung für eine quantitative TOF-Bildrekonstruktionen ist eine Streukorrektur, welche die TOF-Information mit einbezieht. Die derzeit übliche Referenzmethode hierfür ist eine TOF-Erweiterung des single scatter simulation Ansatzes (TOF-SSS). Diese Methode wurde im Rahmen der TOF-Erweiterung von THOR implementiert. Der größte Nachteil der TOF-SSS ist eine 3–7-fach erhöhte Rechenzeit für die Berechnung der Streuschätzung im Vergleich zur non-TOF-SSS, wodurch die Bildrekonstruktionsdauer deutlich erhöht wird. Um dieses Problem zu beheben, wurde eine neue, schnellere TOF-Streukorrektur (ISA) entwickelt und implementiert. Es konnte gezeigt werden, dass dieser neue Algorithmus eine brauchbare Alternative zur TOF-SSS darstellt, welche die Rechenzeit auf ein Fünftel reduziert, wobei mithilfe von ISA und TOF-SSS rekonstruierte Schnittbilder quantitativ ausgezeichnet übereinstimmen. Die Gesamtrekonstruktionszeit konnte mithilfe ISA bei Ganzkörperuntersuchungen insgesamt um den Faktor Zwei reduziert werden. Dies kann als maßgeblicher Fortschritt betrachtet werden, speziell im Hinblick auf die Nutzung fortgeschrittener Bildrekonstruktionsverfahren im klinischen Umfeld. Das zweite große Thema dieser Arbeit ist ein Beitrag zur verbesserten Schwächungskorrektur in der PET/MRT mittels MLAA-Rekonstruktion. Hierfür ist zunächst eine genaue Kenntnis der tatsächlichen Zeitauflösung in der betrachten PET-Aufnahme zwingend notwendig. Da die vom Hersteller zur Verfügung gestellten Zahlen nicht immer verlässlich sind und zudem die Zählratenabhängigkeit nicht berücksichtigen, wurde ein neuer Algorithmus entwickelt und implementiert, um die Zeitauflösung in Abhängigkeit von der Zählrate zu bestimmen. Dieser Algorithmus (MLRES) basiert auf dem maximum likelihood Prinzip und erlaubt es, die funktionale Abhängigkeit der Zeitauflösung des Philips Ingenuity PET/MRT von der Zählrate zu bestimmen. In der vorliegenden Arbeit konnte insbesondere gezeigt werden, dass sich die Zeitauflösung des Ingenuity PET/MRT im klinisch relevanten Zählratenbereich um mehr als 250 ps gegenüber der vom Hersteller genannten Auflösung von 550 ps verschlechtern kann, welche tatsächlich nur bei extrem niedrigen Zählraten erreicht wird. Basierend auf den oben beschrieben Entwicklungen konnte MLAA in THOR integriert werden. Die MLAA-Implementierung erlaubt die Generierung realistischer patientenspezifischer Schwächungsbilder. Es konnte insbesondere gezeigt werden, dass auch Knochen und Hohlräume korrekt identifiziert werden, was mittels MRT-basierter Schwächungskorrektur sehr schwierig oder sogar unmöglich ist. Zudem konnten wir bestätigen, dass es mit MLAA möglich ist, metallbedingte Artefakte zu reduzieren, die ansonsten in den MRT-basierten Schwächungsbildern immer zu finden sind. Eine detaillierte Analyse der Ergebnisse zeigte allerdings verbleibende Probleme bezüglich der globalen Skalierung und des lokalen Übersprechens zwischen Aktivitäts- und Schwächungsschätzung auf. Daher werden zusätzliche Entwicklungen erforderlich sein, um auch diese Defizite zu beheben.The present work addresses two persistent issues of image reconstruction for time-of-flight (TOF) PET: acceleration of TOF scatter correction and improvement of emission-based attenuation correction. Due to the missing capability to measure photon attenuation directly, improving attenuation correction by joint reconstruction of the activity and attenuation coefficient distribution using the MLAA technique is of special relevance for PET/MR while accelerating TOF scatter correction is of equal importance for TOF-capable PET/CT systems as well. To achieve the stated goals, in a first step the high-resolution PET image reconstruction THOR, previously developed in our group, was adapted to take advantage of the TOF information delivered by state-of-the-art PET systems. TOF-aware image reconstruction reduces image noise and improves convergence rate both of which is highly desirable. Based on these adaptations, this thesis describes new developments for improvement of TOF scatter correction and MLAA reconstruction and reports results obtained with the new algorithms on the Philips Ingenuity PET/MR jointly operated by the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) and the University Hospital. A crucial requirement for quantitative TOF image reconstruction is TOF-aware scatter correction. The currently accepted reference method — the TOF extension of the single scatter simulation approach (TOF-SSS) — was implemented as part of the TOF-related modifications of THOR. The major drawback of TOF-SSS is a 3–7 fold increase in computation time required for the scatter estimation, compared to regular SSS, which in turn does lead to a considerable image reconstruction slowdown. This problem was addressed by development and implementation of a novel accelerated TOF scatter correction algorithm called ISA. This new algorithm proved to be a viable alternative to TOF-SSS and speeds up scatter correction by a factor of up to five in comparison to TOF-SSS. Images reconstructed using ISA are in excellent quantitative agreement with those obtained when using TOF-SSS while overall reconstruction time is reduced by a factor of two in whole-body investigations. This can be considered a major achievement especially with regard to the use of advanced image reconstruction in a clinical context. The second major topic of this thesis is contribution to improved attenuation correction in PET/MR by utilization of MLAA reconstruction. First of all, knowledge of the actual time resolution operational in the considered PET scan is mandatory for a viable MLAA implementation. Since vendor-provided figures regarding the time resolution are not necessarily reliable and do not cover count-rate dependent effects at all, a new algorithm was developed and implemented to determine the time resolution as a function of count rate. This algorithm (MLRES) is based on the maximum likelihood principle and allows to determine the functional dependency of the time resolution of the Philips Ingenuity PET/MR on the given count rate and to integrate this information into THOR. Notably, the present work proves that the time resolution of the Ingenuity PET/MR can degrade by more than 250 ps for the clinically relevant range of count rates in comparison to the vendor-provided figure of 550 ps which is only realized in the limit of extremely low count rates. Based on the previously described developments, MLAA could be integrated into THOR. The performed list-mode MLAA implementation is capable of deriving realistic, patient-specific attenuation maps. Especially, correct identification of osseous structures and air cavities could be demonstrated which is very difficult or even impossible with MR-based approaches to attenuation correction. Moreover, we have confirmed that MLAA is capable of reducing metal-induced artifacts which are otherwise present in MR-based attenuation maps. However, the detailed analysis of the obtained MLAA results revealed remaining problems regarding stability of global scaling as well as local cross-talk between activity and attenuation estimates. Therefore, further work beyond the scope of the present work will be necessary to address these remaining issues

TMSmap – Software for Quantitative Analysis of TMS Mapping Results

The use of the MRI-navigation system ensures accurate targeting of TMS. This, in turn, results in TMS motor mapping becoming a routinely used procedure in neuroscience and neurosurgery. However, currently, there is no standardized methodology for assessment of TMS motor-mapping results. Therefore, we developed TMSmap—free standalone graphical interface software for the quantitative analysis of the TMS motor mapping results (http://tmsmap.ru/). In addition to the estimation of standard parameters (such as the size of cortical muscle representation and the center of gravity location), it allows estimation of the volume of cortical representations, excitability profile of the cortical surface map, and the overlap between cortical representations. The input data for the software includes the coordinates of the coil position (or electric field maximum) and the corresponding response in each stimulation point. TMSmap has been developed for versatile assessment and comparison of TMS maps relating to different experimental interventions including, but not limited to longitudinal, pharmacological and clinical studies (e.g., stroke recovery). To illustrate the use of TMSmap we provide examples of the actual TMS motor-mapping analysis of two healthy subjects and one chronic stroke patient

Accuracy and precision of navigated transcranial magnetic stimulation

Objective. Transcranial magnetic stimulation (TMS) induces an electric field (E-field) in the cortex. To facilitate stimulation targeting, image-guided neuronavigation systems have been introduced. Such systems track the placement of the coil with respect to the head and visualize the estimated cortical stimulation location on an anatomical brain image in real time. The accuracy and precision of the neuronavigation is affected by multiple factors. Our aim was to analyze how different factors in TMS neuronavigation affect the accuracy and precision of the coil-head coregistration and the estimated E-field. Approach. By performing simulations, we estimated navigation errors due to distortions in magnetic resonance images (MRIs), head-to-MRI registration (landmark- and surface-based registrations), localization and movement of the head tracker, and localization of the coil tracker. We analyzed the effect of these errors on coil and head coregistration and on the induced E-field as determined with simplistic and realistic head models. Main results. Average total coregistration accuracies were in the range of 2.2-3.6 mm and 1 degrees; precision values were about half of the accuracy values. The coregistration errors were mainly due to head-to-MRI registration with average accuracies 1.5-1.9 mm/0.2-0.4 degrees and precisions 0.5-0.8 mm/0.1-0.2 degrees better with surface-based registration. The other major source of error was the movement of the head tracker with average accuracy of 1.5 mm and precision of 1.1 mm. When assessed within an E-field method, the average accuracies of the peak E-field location, orientation, and magnitude ranged between 1.5 and 5.0 mm, 0.9 and 4.8 degrees, and 4.4 and 8.5% across the E-field models studied. The largest errors were obtained with the landmark-based registration. When computing another accuracy measure with the most realistic E-field model as a reference, the accuracies tended to improve from about 10 mm/15 degrees/25% to about 2 mm/2 degrees/5% when increasing realism of the E-field model. Significance. The results of this comprehensive analysis help TMS operators to recognize the main sources of error in TMS navigation and that the coregistration errors and their effect in the E-field estimation depend on the methods applied. To ensure reliable TMS navigation, we recommend surface-based head-to-MRI registration and realistic models for E-field computations.Peer reviewe

Effect of stimulus orientation and intensity on short-interval intracortical inhibition (SICI) and facilitation (SICF) : A multi-channel transcranial magnetic stimulation study

Publisher Copyright: © 2021 Tugin et al. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original author and source are credited.Besides stimulus intensities and interstimulus intervals (ISI), the electric field (E-field) orientation is known to affect both short-interval intracortical inhibition (SICI) and facilitation (SICF) in paired-pulse transcranial magnetic stimulation (TMS). However, it has yet to be established how distinct orientations of the conditioning (CS) and test stimuli (TS) affect the SICI and SICF generation. With the use of a multi-channel TMS transducer that provides electronic control of the stimulus orientation and intensity, we aimed to investigate how changes in the CS and TS orientation affect the strength of SICI and SICF. We hypothesized that the CS orientation would play a major role for SICF than for SICI, whereas the CS intensity would be more critical for SICI than for SICF. In eight healthy subjects, we tested two ISIs (1.5 and 2.7 ms), two CS and TS orientations (anteromedial (AM) and posteromedial (PM)), and four CS intensities (50, 70, 90, and 110% of the resting motor threshold (RMT)). The TS intensity was fixed at 110% RMT. The intensities were adjusted to the corresponding RMT in the AM and PM orientations. SICI and SICF were observed in all tested CS and TS orientations. SICI depended on the CS intensity in a U-shaped manner in any combination of the CS and TS orientations. With 70% and 90% RMT CS intensities, stronger PM-oriented CS induced stronger inhibition than weaker AM-oriented CS. Similar SICF was observed for any CS orientation. Neither SICI nor SICF depended on the TS orientation. We demonstrated that SICI and SICF could be elicited by the CS perpendicular to the TS, which indicates that these stimuli affected either overlapping or strongly connected neuronal populations. We concluded that SICI is primarily sensitive to the CS intensity and that CS intensity adjustment resulted in similar SICF for different CS orientations.Peer reviewe

Development of methods for time efficient scatter correction and improved attenuation correction in time-of-flight PET/MR

In der vorliegenden Dissertation wurden zwei fortdauernde Probleme der Bildrekonstruktion in der time-of-flight (TOF) PET bearbeitet: Beschleunigung der TOF-Streukorrektur sowie Verbesserung der emissionsbasierten Schwächungskorrektur. Aufgrund der fehlenden Möglichkeit, die Photonenabschwächung direkt zu messen, ist eine Verbesserung der Schwächungskorrektur durch eine gemeinsame Rekonstruktion der Aktivitäts- und Schwächungskoeffizienten-Verteilung mittels der MLAA-Methode von besonderer Bedeutung für die PET/MRT, während eine Beschleunigung der TOF-Streukorrektur gleichermaßen auch für TOF-fähige PET/CT-Systeme relevant ist. Für das Erreichen dieser Ziele wurde in einem ersten Schritt die hochauflösende PET-Bildrekonstruktion THOR, die bereits zuvor in unserer Gruppe entwickelt wurde, angepasst, um die TOF-Information nutzen zu können, welche von allen modernen PET-Systemen zur Verfügung gestellt wird. Die Nutzung der TOF-Information in der Bildrekonstruktion führt zu reduziertem Bildrauschen und zu einer verbesserten Konvergenzgeschwindigkeit. Basierend auf diesen Anpassungen werden in der vorliegenden Arbeit neue Entwicklungen für eine Verbesserung der TOF-Streukorrektur und der MLAA-Rekonstruktion beschrieben. Es werden sodann Ergebnisse vorgestellt, welche mit den neuen Algorithmen am Philips Ingenuity PET/MRT-Gerät erzielt wurden, das gemeinsam vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und dem Universitätsklinikum betrieben wird. Eine wesentliche Voraussetzung für eine quantitative TOF-Bildrekonstruktionen ist eine Streukorrektur, welche die TOF-Information mit einbezieht. Die derzeit übliche Referenzmethode hierfür ist eine TOF-Erweiterung des single scatter simulation Ansatzes (TOF-SSS). Diese Methode wurde im Rahmen der TOF-Erweiterung von THOR implementiert. Der größte Nachteil der TOF-SSS ist eine 3–7-fach erhöhte Rechenzeit für die Berechnung der Streuschätzung im Vergleich zur non-TOF-SSS, wodurch die Bildrekonstruktionsdauer deutlich erhöht wird. Um dieses Problem zu beheben, wurde eine neue, schnellere TOF-Streukorrektur (ISA) entwickelt und implementiert. Es konnte gezeigt werden, dass dieser neue Algorithmus eine brauchbare Alternative zur TOF-SSS darstellt, welche die Rechenzeit auf ein Fünftel reduziert, wobei mithilfe von ISA und TOF-SSS rekonstruierte Schnittbilder quantitativ ausgezeichnet übereinstimmen. Die Gesamtrekonstruktionszeit konnte mithilfe ISA bei Ganzkörperuntersuchungen insgesamt um den Faktor Zwei reduziert werden. Dies kann als maßgeblicher Fortschritt betrachtet werden, speziell im Hinblick auf die Nutzung fortgeschrittener Bildrekonstruktionsverfahren im klinischen Umfeld. Das zweite große Thema dieser Arbeit ist ein Beitrag zur verbesserten Schwächungskorrektur in der PET/MRT mittels MLAA-Rekonstruktion. Hierfür ist zunächst eine genaue Kenntnis der tatsächlichen Zeitauflösung in der betrachten PET-Aufnahme zwingend notwendig. Da die vom Hersteller zur Verfügung gestellten Zahlen nicht immer verlässlich sind und zudem die Zählratenabhängigkeit nicht berücksichtigen, wurde ein neuer Algorithmus entwickelt und implementiert, um die Zeitauflösung in Abhängigkeit von der Zählrate zu bestimmen. Dieser Algorithmus (MLRES) basiert auf dem maximum likelihood Prinzip und erlaubt es, die funktionale Abhängigkeit der Zeitauflösung des Philips Ingenuity PET/MRT von der Zählrate zu bestimmen. In der vorliegenden Arbeit konnte insbesondere gezeigt werden, dass sich die Zeitauflösung des Ingenuity PET/MRT im klinisch relevanten Zählratenbereich um mehr als 250 ps gegenüber der vom Hersteller genannten Auflösung von 550 ps verschlechtern kann, welche tatsächlich nur bei extrem niedrigen Zählraten erreicht wird. Basierend auf den oben beschrieben Entwicklungen konnte MLAA in THOR integriert werden. Die MLAA-Implementierung erlaubt die Generierung realistischer patientenspezifischer Schwächungsbilder. Es konnte insbesondere gezeigt werden, dass auch Knochen und Hohlräume korrekt identifiziert werden, was mittels MRT-basierter Schwächungskorrektur sehr schwierig oder sogar unmöglich ist. Zudem konnten wir bestätigen, dass es mit MLAA möglich ist, metallbedingte Artefakte zu reduzieren, die ansonsten in den MRT-basierten Schwächungsbildern immer zu finden sind. Eine detaillierte Analyse der Ergebnisse zeigte allerdings verbleibende Probleme bezüglich der globalen Skalierung und des lokalen Übersprechens zwischen Aktivitäts- und Schwächungsschätzung auf. Daher werden zusätzliche Entwicklungen erforderlich sein, um auch diese Defizite zu beheben.The present work addresses two persistent issues of image reconstruction for time-of-flight (TOF) PET: acceleration of TOF scatter correction and improvement of emission-based attenuation correction. Due to the missing capability to measure photon attenuation directly, improving attenuation correction by joint reconstruction of the activity and attenuation coefficient distribution using the MLAA technique is of special relevance for PET/MR while accelerating TOF scatter correction is of equal importance for TOF-capable PET/CT systems as well. To achieve the stated goals, in a first step the high-resolution PET image reconstruction THOR, previously developed in our group, was adapted to take advantage of the TOF information delivered by state-of-the-art PET systems. TOF-aware image reconstruction reduces image noise and improves convergence rate both of which is highly desirable. Based on these adaptations, this thesis describes new developments for improvement of TOF scatter correction and MLAA reconstruction and reports results obtained with the new algorithms on the Philips Ingenuity PET/MR jointly operated by the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) and the University Hospital. A crucial requirement for quantitative TOF image reconstruction is TOF-aware scatter correction. The currently accepted reference method — the TOF extension of the single scatter simulation approach (TOF-SSS) — was implemented as part of the TOF-related modifications of THOR. The major drawback of TOF-SSS is a 3–7 fold increase in computation time required for the scatter estimation, compared to regular SSS, which in turn does lead to a considerable image reconstruction slowdown. This problem was addressed by development and implementation of a novel accelerated TOF scatter correction algorithm called ISA. This new algorithm proved to be a viable alternative to TOF-SSS and speeds up scatter correction by a factor of up to five in comparison to TOF-SSS. Images reconstructed using ISA are in excellent quantitative agreement with those obtained when using TOF-SSS while overall reconstruction time is reduced by a factor of two in whole-body investigations. This can be considered a major achievement especially with regard to the use of advanced image reconstruction in a clinical context. The second major topic of this thesis is contribution to improved attenuation correction in PET/MR by utilization of MLAA reconstruction. First of all, knowledge of the actual time resolution operational in the considered PET scan is mandatory for a viable MLAA implementation. Since vendor-provided figures regarding the time resolution are not necessarily reliable and do not cover count-rate dependent effects at all, a new algorithm was developed and implemented to determine the time resolution as a function of count rate. This algorithm (MLRES) is based on the maximum likelihood principle and allows to determine the functional dependency of the time resolution of the Philips Ingenuity PET/MR on the given count rate and to integrate this information into THOR. Notably, the present work proves that the time resolution of the Ingenuity PET/MR can degrade by more than 250 ps for the clinically relevant range of count rates in comparison to the vendor-provided figure of 550 ps which is only realized in the limit of extremely low count rates. Based on the previously described developments, MLAA could be integrated into THOR. The performed list-mode MLAA implementation is capable of deriving realistic, patient-specific attenuation maps. Especially, correct identification of osseous structures and air cavities could be demonstrated which is very difficult or even impossible with MR-based approaches to attenuation correction. Moreover, we have confirmed that MLAA is capable of reducing metal-induced artifacts which are otherwise present in MR-based attenuation maps. However, the detailed analysis of the obtained MLAA results revealed remaining problems regarding stability of global scaling as well as local cross-talk between activity and attenuation estimates. Therefore, further work beyond the scope of the present work will be necessary to address these remaining issues

Development of methods for time efficient scatter correction and improved attenuation correction in time-of-flight PET/MR

In der vorliegenden Dissertation wurden zwei fortdauernde Probleme der Bildrekonstruktion in der time-of-flight (TOF) PET bearbeitet: Beschleunigung der TOF-Streukorrektur sowie Verbesserung der emissionsbasierten Schwächungskorrektur. Aufgrund der fehlenden Möglichkeit, die Photonenabschwächung direkt zu messen, ist eine Verbesserung der Schwächungskorrektur durch eine gemeinsame Rekonstruktion der Aktivitäts- und Schwächungskoeffizienten-Verteilung mittels der MLAA-Methode von besonderer Bedeutung für die PET/MRT, während eine Beschleunigung der TOF-Streukorrektur gleichermaßen auch für TOF-fähige PET/CT-Systeme relevant ist. Für das Erreichen dieser Ziele wurde in einem ersten Schritt die hochauflösende PET-Bildrekonstruktion THOR, die bereits zuvor in unserer Gruppe entwickelt wurde, angepasst, um die TOF-Information nutzen zu können, welche von allen modernen PET-Systemen zur Verfügung gestellt wird. Die Nutzung der TOF-Information in der Bildrekonstruktion führt zu reduziertem Bildrauschen und zu einer verbesserten Konvergenzgeschwindigkeit. Basierend auf diesen Anpassungen werden in der vorliegenden Arbeit neue Entwicklungen für eine Verbesserung der TOF-Streukorrektur und der MLAA-Rekonstruktion beschrieben. Es werden sodann Ergebnisse vorgestellt, welche mit den neuen Algorithmen am Philips Ingenuity PET/MRT-Gerät erzielt wurden, das gemeinsam vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und dem Universitätsklinikum betrieben wird. Eine wesentliche Voraussetzung für eine quantitative TOF-Bildrekonstruktionen ist eine Streukorrektur, welche die TOF-Information mit einbezieht. Die derzeit übliche Referenzmethode hierfür ist eine TOF-Erweiterung des single scatter simulation Ansatzes (TOF-SSS). Diese Methode wurde im Rahmen der TOF-Erweiterung von THOR implementiert. Der größte Nachteil der TOF-SSS ist eine 3–7-fach erhöhte Rechenzeit für die Berechnung der Streuschätzung im Vergleich zur non-TOF-SSS, wodurch die Bildrekonstruktionsdauer deutlich erhöht wird. Um dieses Problem zu beheben, wurde eine neue, schnellere TOF-Streukorrektur (ISA) entwickelt und implementiert. Es konnte gezeigt werden, dass dieser neue Algorithmus eine brauchbare Alternative zur TOF-SSS darstellt, welche die Rechenzeit auf ein Fünftel reduziert, wobei mithilfe von ISA und TOF-SSS rekonstruierte Schnittbilder quantitativ ausgezeichnet übereinstimmen. Die Gesamtrekonstruktionszeit konnte mithilfe ISA bei Ganzkörperuntersuchungen insgesamt um den Faktor Zwei reduziert werden. Dies kann als maßgeblicher Fortschritt betrachtet werden, speziell im Hinblick auf die Nutzung fortgeschrittener Bildrekonstruktionsverfahren im klinischen Umfeld. Das zweite große Thema dieser Arbeit ist ein Beitrag zur verbesserten Schwächungskorrektur in der PET/MRT mittels MLAA-Rekonstruktion. Hierfür ist zunächst eine genaue Kenntnis der tatsächlichen Zeitauflösung in der betrachten PET-Aufnahme zwingend notwendig. Da die vom Hersteller zur Verfügung gestellten Zahlen nicht immer verlässlich sind und zudem die Zählratenabhängigkeit nicht berücksichtigen, wurde ein neuer Algorithmus entwickelt und implementiert, um die Zeitauflösung in Abhängigkeit von der Zählrate zu bestimmen. Dieser Algorithmus (MLRES) basiert auf dem maximum likelihood Prinzip und erlaubt es, die funktionale Abhängigkeit der Zeitauflösung des Philips Ingenuity PET/MRT von der Zählrate zu bestimmen. In der vorliegenden Arbeit konnte insbesondere gezeigt werden, dass sich die Zeitauflösung des Ingenuity PET/MRT im klinisch relevanten Zählratenbereich um mehr als 250 ps gegenüber der vom Hersteller genannten Auflösung von 550 ps verschlechtern kann, welche tatsächlich nur bei extrem niedrigen Zählraten erreicht wird. Basierend auf den oben beschrieben Entwicklungen konnte MLAA in THOR integriert werden. Die MLAA-Implementierung erlaubt die Generierung realistischer patientenspezifischer Schwächungsbilder. Es konnte insbesondere gezeigt werden, dass auch Knochen und Hohlräume korrekt identifiziert werden, was mittels MRT-basierter Schwächungskorrektur sehr schwierig oder sogar unmöglich ist. Zudem konnten wir bestätigen, dass es mit MLAA möglich ist, metallbedingte Artefakte zu reduzieren, die ansonsten in den MRT-basierten Schwächungsbildern immer zu finden sind. Eine detaillierte Analyse der Ergebnisse zeigte allerdings verbleibende Probleme bezüglich der globalen Skalierung und des lokalen Übersprechens zwischen Aktivitäts- und Schwächungsschätzung auf. Daher werden zusätzliche Entwicklungen erforderlich sein, um auch diese Defizite zu beheben.The present work addresses two persistent issues of image reconstruction for time-of-flight (TOF) PET: acceleration of TOF scatter correction and improvement of emission-based attenuation correction. Due to the missing capability to measure photon attenuation directly, improving attenuation correction by joint reconstruction of the activity and attenuation coefficient distribution using the MLAA technique is of special relevance for PET/MR while accelerating TOF scatter correction is of equal importance for TOF-capable PET/CT systems as well. To achieve the stated goals, in a first step the high-resolution PET image reconstruction THOR, previously developed in our group, was adapted to take advantage of the TOF information delivered by state-of-the-art PET systems. TOF-aware image reconstruction reduces image noise and improves convergence rate both of which is highly desirable. Based on these adaptations, this thesis describes new developments for improvement of TOF scatter correction and MLAA reconstruction and reports results obtained with the new algorithms on the Philips Ingenuity PET/MR jointly operated by the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) and the University Hospital. A crucial requirement for quantitative TOF image reconstruction is TOF-aware scatter correction. The currently accepted reference method — the TOF extension of the single scatter simulation approach (TOF-SSS) — was implemented as part of the TOF-related modifications of THOR. The major drawback of TOF-SSS is a 3–7 fold increase in computation time required for the scatter estimation, compared to regular SSS, which in turn does lead to a considerable image reconstruction slowdown. This problem was addressed by development and implementation of a novel accelerated TOF scatter correction algorithm called ISA. This new algorithm proved to be a viable alternative to TOF-SSS and speeds up scatter correction by a factor of up to five in comparison to TOF-SSS. Images reconstructed using ISA are in excellent quantitative agreement with those obtained when using TOF-SSS while overall reconstruction time is reduced by a factor of two in whole-body investigations. This can be considered a major achievement especially with regard to the use of advanced image reconstruction in a clinical context. The second major topic of this thesis is contribution to improved attenuation correction in PET/MR by utilization of MLAA reconstruction. First of all, knowledge of the actual time resolution operational in the considered PET scan is mandatory for a viable MLAA implementation. Since vendor-provided figures regarding the time resolution are not necessarily reliable and do not cover count-rate dependent effects at all, a new algorithm was developed and implemented to determine the time resolution as a function of count rate. This algorithm (MLRES) is based on the maximum likelihood principle and allows to determine the functional dependency of the time resolution of the Philips Ingenuity PET/MR on the given count rate and to integrate this information into THOR. Notably, the present work proves that the time resolution of the Ingenuity PET/MR can degrade by more than 250 ps for the clinically relevant range of count rates in comparison to the vendor-provided figure of 550 ps which is only realized in the limit of extremely low count rates. Based on the previously described developments, MLAA could be integrated into THOR. The performed list-mode MLAA implementation is capable of deriving realistic, patient-specific attenuation maps. Especially, correct identification of osseous structures and air cavities could be demonstrated which is very difficult or even impossible with MR-based approaches to attenuation correction. Moreover, we have confirmed that MLAA is capable of reducing metal-induced artifacts which are otherwise present in MR-based attenuation maps. However, the detailed analysis of the obtained MLAA results revealed remaining problems regarding stability of global scaling as well as local cross-talk between activity and attenuation estimates. Therefore, further work beyond the scope of the present work will be necessary to address these remaining issues

TMSmap – Software for Quantitative Analysis of TMS Mapping Results

The use of the MRI-navigation system ensures accurate targeting of TMS. This, in turn, results in TMS motor mapping becoming a routinely used procedure in neuroscience and neurosurgery. However, currently, there is no standardized methodology for assessment of TMS motor-mapping results. Therefore, we developed TMSmap – free standalone graphical interface software for the quantitative analysis of the TMS motor mapping results (http://tmsmap.ru/). In addition to the estimation of standard parameters (such as the size of cortical muscle representation and the center of gravity location), it allows estimation of the volume of cortical representations, excitability profile of the cortical surface map and the overlap between cortical representations. The input data for the software includes the coordinates of the coil position (or electric field maximum) and the corresponding response in each stimulation point. TMSmap has been developed for versatile assessment and comparison of TMS maps relating to different experimental interventions including, but not limited to longitudinal, pharmacological and clinical studies (e.g., stroke recovery). To illustrate the use of TMSmap we provide examples of the actual TMS motor-mapping analysis of two healthy subjects and one chronic stroke patient

A Quantitative Study of a New RF-coil for 7 Tesla Small-Animal Imaging

International audienc

Expression of Immune Checkpoints in Malignant Tumors: Therapy Targets and Biomarkers for the Gastric Cancer Prognosis

To increase the effectiveness of anticancer therapy based on immune checkpoint (IC) inhibition, some ICs are being investigated in addition to those used in clinic. We reviewed data on the relationship between PD-L1, B7-H3, B7-H4, IDO1, Galectin-3 and -9, CEACAM1, CD155, Siglec-15 and ADAM17 expression with cancer development in complex with the results of clinical trials on their inhibition. Increased expression of the most studied ICs—PD-L1, B7-H3, and B7-H4—is associated with poor survival; their inhibition is clinically significant. Expression of IDO1, CD155, and ADAM17 is also associated with poor survival, including gastric cancer (GC). The available data indicate that CD155 and ADAM17 are promising targets for immune therapy. However, the clinical trials of anti-IDO1 antibodies have been unsatisfactory. Expression of Galectin-3 and -9, CEACAM1 and Siglec-15 demonstrates a contradictory relationship with patient survival. The lack of satisfactory results of these IC inhibitor clinical trials additionally indicates the complex nature of their functioning. In conclusion, in many cases it is important to analyze the expression of other participants of the immune response besides target IC. The PD-L1, B7-H3, B7-H4, IDO1 and ADAM17 may be considered as candidates for prognosis markers for GC patient survival

Accuracy and precision of navigated transcranial magnetic stimulation

Objective. Transcranial magnetic stimulation (TMS) induces an electric field (E-field) in the cortex. To facilitate stimulation targeting, image-guided neuronavigation systems have been introduced. Such systems track the placement of the coil with respect to the head and visualize the estimated cortical stimulation location on an anatomical brain image in real time. The accuracy and precision of the neuronavigation is affected by multiple factors. Our aim was to analyze how different factors in TMS neuronavigation affect the accuracy and precision of the coil-head coregistration and the estimated E-field. Approach. By performing simulations, we estimated navigation errors due to distortions in magnetic resonance images (MRIs), head-to-MRI registration (landmark- and surface-based registrations), localization and movement of the head tracker, and localization of the coil tracker. We analyzed the effect of these errors on coil and head coregistration and on the induced E-field as determined with simplistic and realistic head models. Main results. Average total coregistration accuracies were in the range of 2.2-3.6 mm and 1 degrees; precision values were about half of the accuracy values. The coregistration errors were mainly due to head-to-MRI registration with average accuracies 1.5-1.9 mm/0.2-0.4 degrees and precisions 0.5-0.8 mm/0.1-0.2 degrees better with surface-based registration. The other major source of error was the movement of the head tracker with average accuracy of 1.5 mm and precision of 1.1 mm. When assessed within an E-field method, the average accuracies of the peak E-field location, orientation, and magnitude ranged between 1.5 and 5.0 mm, 0.9 and 4.8 degrees, and 4.4 and 8.5% across the E-field models studied. The largest errors were obtained with the landmark-based registration. When computing another accuracy measure with the most realistic E-field model as a reference, the accuracies tended to improve from about 10 mm/15 degrees/25% to about 2 mm/2 degrees/5% when increasing realism of the E-field model. Significance. The results of this comprehensive analysis help TMS operators to recognize the main sources of error in TMS navigation and that the coregistration errors and their effect in the E-field estimation depend on the methods applied. To ensure reliable TMS navigation, we recommend surface-based head-to-MRI registration and realistic models for E-field computations.Peer reviewe