PET Bildrekonstruktion
Motivation
Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist eine funktionelle medizinische Bildgebungstechnik, die sich in Bereichen wie der Onkologie, Kardiologie und Neurologie bewährt hat. Durch den Einsatz radioaktiver Tracer ermöglicht PET eine detaillierte Visualisierung physiologischer Prozesse auf molekularer Ebene. Unsere Forschung konzentriert sich auf die Optimierung der PET-Bildrekonstruktion durch Verbesserungen bei der Kalibrierung und Normalisierung der Scanner.
Forschungsthemen
PET-Scanner sind hochkomplexe Systeme, bei denen die Bildqualität entscheidend sowohl von einer genauen Systemkalibrierung als auch von einer robusten Bildrekonstruktion abhängt. In der Praxis führen Abweichungen vom idealen Systemverhalten unmittelbar zu Rekonstruktionsartefakten und Quantifizierungsfehlern. Unsere Forschung betrachtet Kalibrierung und Rekonstruktion als gekoppeltes Gesamtproblem mit dem Ziel, die Bildqualität unter realistischen Aufnahmebedingungen zu verbessern.
In-System Kalibration
Nach der Montage weichen PET-Systeme aufgrund von Ungenauigkeiten in Detektorposition und –orientierung sowie Variationen im Detektorverhalten von ihrer idealen Konfiguration ab. Diese Effekte beeinflussen die Positionsbestimmung, die Zeitauflösung sowie die Energieabschätzung der detektierten Gamma-Interaktionen und müssen korrigiert werden, um ein konsistentes Systemverhalten sicherzustellen.
Wir konzentrieren uns auf die In-System-Kalibrierung des kompletten Scanners, bei der alle relevanten Parameter nach der Montage direkt aus den Messdaten geschätzt werden. Dies ermöglicht ein kohärentes und physikalisch motiviertes Systemmodell, welches die Grundlage für eine zuverlässige Bildrekonstruktion bildet.
Indem wir die Komplexität von der Hardwarepräzision auf die datengesteuerte Kalibrierung verlagern, wollen wir eine schnellere und kosteneffizientere Scannerfertigung mit geringeren Hardwareanforderungen ermöglichen und gleichzeitig eine hohe Bildgebungsleistung aufrechterhalten.
Figure 1: Lichtverteilungen und positionierte Koinzidenzen, visualisiert für ein am Institut aufgebautes PET-System.
Neuartige Rekonstruktionstechniken
Die tomographische Bildrekonstruktion wird als Lösung eines inversen Problems formuliert, das durch das Vorwärtsprojektionsmodell des Systems beschrieben wird. In der Praxis wird die Genauigkeit dieses Modells durch verbleibende Kalibrierungsunsicherheiten und Messunsicherheiten eingeschränkt.
Wir entwickeln Rekonstruktionsansätze, die die Robustheit, die quantitative Genauigkeit sowie die rechnerische Effizienz unter realistischen Aufnahmebedingungen verbessern. Dazu gehören die Integration von Vorwissen, der Umgang mit unvollständiger oder nicht vollständiger Detektorabdeckung sowie die Entwicklung datengetriebener und physikbasierter Modelle zur Bildentstehung.
Ziel ist es, eine konsistente und robuste Bildrekonstruktion zu ermöglichen, die systematische Unsicherheiten berücksichtigt und die diagnostische Aussagekraft verbessert.
Hybride Bildgebung
In PET/MR-Systemen können komplementäre strukturelle und funktionelle Informationen aus der MRT direkt in die PET-Rekonstruktion integriert werden.
Wir untersuchen multimodale Rekonstruktionsansätze, die MR-Informationen nutzen, um die Bildentstehung zu steuern, anatomisches Vorwissen einzubeziehen, Bewegungen zu berücksichtigen sowie physikalische Effekte wie die Abschwächung auf datengetriebene und physikalisch konsistente Weise abzuschätzen.
Figure 2: Schematische Darstellung der am Institut untersuchten tomographischen Bildgebungsmodalitäten.
Abschlussarbeiten
Wir bieten eine Vielzahl von Themen für Abschlussarbeiten in diesem Projekt an. Wir suchen hochmotivierte und kreative Personen mit einem starken Hintergrund in Physik, Mathematik, Elektrotechnik, Informatik oder verwandten Bereichen. Wir bieten ein interdisziplinäres Arbeitsumfeld, in dem Sie praktische Erfahrungen im Bereich der PET-Bildgebung und Bildrekonstruktion sammeln können.
