Tomographische Rekonstruktion beim in-beam PET Monitoring der Schwerionentherapie

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1 Tomogaphische Rekonstuktion beim in-beam PET Monitoing de Schweionentheapie Physikalische Gundlagen des in-beam PET Spezielle Pobleme de tomogaphischen Rekonstuktion bei in-beam PET Eine Anwendung: Dosisquantifizieung aus PET Daten Das Deutsche Schweionen Theapie Poekt

2 Eine Echtzeit-Methode zum Theapiemonitoing: Anfodeungen und Lösung 3D Tomogaphie Nicht invasiv Geinge Schwächung Röntgen ode γ In situ Echtzeit Zeiteffizient Dosispopotional? Sepaation des Signals von de Theapiestahlung Hohe Nachweiseffizienz C B + e + + ν T e /2 γ t 0 80 deg Signal mit: definiete Enegie äuml. Koelation zeitl. Koelation zeitl. Vezögeung Annihilations γ-st., Positonen Emitte PET?

3 Ezeugung de β + -Radioaktivität Kohlenstoff-Ionen Kenfagmentieung Neuton Positon Annihilations-Photonen

4 Poectile Positonen Radioaktivität und Dosis: Kohlenstoff-Ionen Kenfagmentieung Befoe collision Afte collision 2 C C Poectile fagment Atomic nucleus of tissue 6 O 5 O Neutons Taget fagment Aktivitätsdichte: ~ 200 Bq cm -3 Gy - Vgl. Nukleamedizin: Bq cm -3, soga 0 6 Bq cm -3 Maus-PET W. Enghadt et al., PMB J. Pawelke et al., IEEE TNS

5 Positonen Radioaktivität und Dosis: Potonen - p, pn Reaktion Befoe collision Poton Atomic nucleus of tissue 6 O Afte collision Poton 5 O Neuton Taget fagment Aktivitätsdichte: ~ 600 Bq cm -3 Gy - Vgl. Nukleamedizin: Bq cm -3, soga 0 6 Bq cm -3 Maus-PET E 0 MeV K. Paodi et al., PMB N5 K. Paodi et al., PMB

6 De in-beam PET-Scanne an de Schweionentheapie-Anlage bei GSI! " "! " #$ % & ' "!!! % * +, * - +,. - * + /! $! 0! % 2/ / 7 $ "!! " # $! : %; < > % 7 >! * + #?, * - +,. - * + 8! " 2 # 0 8 & ' * 2 '! 0! & ' + J. Pawelke et al., PMB W. Enghadt et al., Nucl. Phys. A c ; & ; A < 6& < 6& 6

7 Die klinische Implementieung von in-beam PET bei de Kohlenstoff-Tumotheapie + " %! " # $ % - $ $! $!! $!! "! β B $ > C %" $! β B $ > C % >! 5' $ 5'!!! #@ >! 65 C! >! 5D #$!! #! $! >! W. Enghadt et al., Stahlenthe. Onkol. 75/II

8 Tomogaphische Rekonstuktion bei in-beam PET: Besondeheiten Tomogaphie im eingeschänkten Winkelbeeich Limited angle Tomogaphy Geinge Zählstatistik Eeignisse, d.h. mehee Gößenodnungen unte de im nukleamedizinischen PET-Tace-Imaging Üblichen: Mehzahl de Poektionskanäle enthält 0 Sinogamm basiete Rekonstuktion unmöglich Sinogamm basiete Methoden de Steukoektu vesagen Kein Tansmissionsscan zu Bestimmung de Schwächung de γ-stahlung im Patienten möglich Übliche Vefahen de Koektu zufällige Koinzidenzen vesagen wähend de Stahletaktion Kompakte, wohl lokalisiete Aktivitätsveteilungen

9 Tomogaphie im eingeschänkten Winkelbeeich Fomulieung des Voganges de Bildgewinnung als Fedholmsche Integalgleichung este At,, 3 k b a k a d b - gesuchte Veteilung - Rückpoektion von a - Punktbildfunktion, PBF Ist wid zum Faltungsintegal:, b k k 3 k a d b Mit F 3 und F 3 - als Fouietansfomation bzw. deen Invese gilt de Faltungssatz. Fouietansfomationen: [ ] [ ] [ ] F, F, F k K b B a A Faltungssatz: K A B [ ] F 3 A a K B A Gefiltete Rückpoektion bei Veschiebungs-Invaianz

10 Veschiebungs-Invaianz Ring-Tomogaph Doppelkopf-Tomogaph Veschiebungs-invaiante PBF k, k Veschiebungs-vaiante PBF k, k Veschiebungs-Invaianz unte Eeignisvelust ezwingba: Gefiltete Rückpoektion möglich

11 Tomogaphische Rekonstuktion bei in-beam PET: Maimum Likelihood Epectation Maimisation MLEM k Ziel: Veabeitung alle gemessenen Eeignisse 3D-PET: k, Algebaische iteative Rekonstuktion MLEM Analytische Rekonstuktion Gefiltete Rückpoektion MLEM Gold-Standad de tomogaphischen Rekonstuktion: Basis: Poisson-Statistik des tomogaphischen Messpozesses mit Einzeleeignis-Nachweis Likelihood-Funktion Langsame Konvegenz gegen globales Maimum unabh. von Statlösung An beliebige messtechnische Situationen anpassba Umfassende Modellieung des Abbildungspozesses möglich Aufwändig: Bishe nu fü 2D-PET implementiet 3D 2D: Rebinning-Vefahen, z.b. FORE Keine sicheen Abbuchkiteien fü die iteative Lösung Mögliche Konvegenz gegen lokales Maimum bei Stabilisieung de Iteation duch Glättung

12 Tomogaphische Rekonstuktion bei in-beam PET: Maimum Likelihood Epectation Maimisation MLEM Rekusionsvoschift: 0 const., n+ n I ki J i k y i * i n i y k n * i i - Line of Response - Voel - Aktivitätsveteilung - gemessene Eeignisse - Element de Systemmati K dim K k i J I i p k k i i y n * i Emission bei Nachweis bei - Poektion i - Rückpoektion

13 MLEM: Illustation Rekonstuktion eine Punktquelle " n+ n I ai J i a y * i i n & '! : F "! E!! 9? $ "! E! * /

14 MLEM: Illustation 2 Rekonstuktion eine Punktquelle " n+ n I ai J i a y * i i n + '! : F "! E!! 9? $ "! E! /

15 MLEM: 3D Implementieung fü in-beam PET n+ n I ki J i 3D-MLEM? dimk > 0 2 Mehzahl de Poektionen: y i * von Benötigte Elemente de Systemmati k i : k i* fü i mit y i * 0 K ist dünn besetzt Benötigte Elemente k i können zu Laufzeit beechnet weden Monte Calo Vefahen i !! i k y i * i n &? 0

16 MLEM fü in-beam PET: Limited Angle Rekonstuktionsatefakte

17 MLEM fü in-beam PET: Limited Angle Rekonstuktionsatefakte " % " % H &, - " & & - ", - ". G " & 0 0 &, + " & &. ", / "

18 3D-MLEM fü in-beam PET: Compton-Steukoektu Systemmati K ohne Compton-Steuung: i !! i &? 0 Systemmati K mit Compton-Steuung: i i & >! F 0 3!!

19 Modifikation des MLEM-Algoithmus : y f 3D-MLEM fü in-beam PET: Compton-Steukoektu n+ % i J i i sc n I k k i y * i n - Steuveteilung im i-ten LOR: Beechnung mit Einfachsteualgoithmus n - Steuanteil: Beechnung aus und Patienten-CT Monte Calo + f sc y i Punktquelle im wassegefülltem Phantom cm 3 F. Pönisch et al., PMB

20 Schwächungskoektu bei in-beam PET γ γ 2 D D 2 µ l l 2 p γ γ 2 e µ l e µ l 2 e µ l + l 2 γ γ 2 D D 2 µ Standadmethode de Schwächungskoektu bei PET: Tansmissionsscan mit um den Patienten laufenden Punkt- ode Stabquellen Zeitbedaf 0 5 min l

21 Schwächungskoektu bei in-beam PET: Basis: Planungs-CT Räumliche Koelation des CT zum PET-Bildaum: - Steeotaktische Patienten-Positionieung - Päzise Positionieung de Positonenkamea: Zentum des FOV Isozentum Paallelität de Hauptachsen von PET-Bildaum und isozent. System Beücksichtigung alle schwächenden und steuenden Obekte innehalb und in de Nähe des Gesichtfeldes de Positonenkamea ' * +! " #? 0 * +! * + +

22 Schwächungskoektu bei in-beam PET: Kombination von Patienten- und Kopfstützen-CT Automatisiete Koelation von Fipunkten, die in beiden CT sichtba Planungs-CT Aiale Position: Position des Befestigungsbettes de Nackenstütze Tansaiale Position: Mittelpunkte de Hatholzschauben, welche die Nackenstütze halten 2 Fehle bei ca. 30 Patienten

23 Schwächungskoektu bei in-beam PET: Kombination von Patienten- und Kopfstützen-CT Koektes Ineinandefügen von Kopfstützen CT und Patienten-CT Schwächungs- Koektufaktoen: a Ohne Kopfstütze b Mit Kopfstütze

24 Segmentieung 2 Schwächungskoektu bei in-beam PET: Schwächungskoektu bei PET/CT Mateial HU µ R ρ µ ρ 5 kev E Luft Wasse.00.0 Blut Muskel Fett.0.0 Gehin Knochen µ µ µ R, µ Eγ R ρ Eγ ρ ρ ρ soft E γ soft γ soft ICRU49, NIST 250 kev 3 HU-ρ Kalibieung des CT-Scannes 4 CT PET 5 Poektion Schwächungskoektu-Faktoen fü alle LOR de Positonenkamea

25 Zufällige Koinzidenzen bei in-beam PET PET Zeit-Eeignis-Histogamm eine Theapiefaktion Mikostuktu des Beschleunige- Stahles HF-γ Messung

26 Zufällige Koinzidenzen bei in-beam PET N coinc P t V Random Koektu mit vezögetem Koinzidenzfenste vesagt, weil N singles P N singles V also N andoms P N andoms V tγ, γ 2 Fodeung: t > t: N singles const. nicht efüllt N singles P t V Die Lösung: Vewefen alle wähend de Stahletaktion gemessenen Eeignisse thf, γ / ns

27 Zufällige Koinzidenzen bei in-beam PET Vefahen: Einfügen de Infomation BEAM ON BEAM OFF in die PET-Daten Ausweten diese Infomation bei de tomogaphischen Rekonstuktion

28 Die Quantifizieung of lokale Dosis-Abweichungen Auf de Basis von in-beam PET Daten

29 CT Veifikation Planungs CT Monat danach: neues CT nach PET Beobachtung de Übeeichweite

30 Vielen Dank Den Kollegen des Deutschen Schweionen Theapie Poektes, insbesondee Paulo Cespo Raine Hinz Kathin Lauckne Katia Paodi Jög Pawelke Falk Pönisch FZR Hammesmith Imanet Ltd., London Seleon GmbH, Feibug FZR FZR FZR